JP2017041474A - Color solid-state image sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カラー固体撮像素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a color solid-state imaging device and a manufacturing method thereof.
近年、撮像装置は、画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を組み込んだ撮像装置が、デジタルカメラやデジタルビデオとして普及してきている。 In recent years, imaging devices have been widely used with the expansion of the contents of image recording, communication, and broadcasting. Various types of image pickup devices have been proposed. An image pickup device incorporating a solid-state image pickup device that has been stably manufactured with a small size, light weight, and high performance can be used as a digital camera or digital video. It has become widespread.
固体撮像素子は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する。光電変換素子の種類はCCD(電荷結合素子)タイプとCMOS(相補型金属酸化物半導体)タイプとに大別される。また、光電変換素子の配列形態から、光電変換素子を1列に配置したリニアセンサ(ラインセンサ)と、光電変換素子を縦横に2次元的に配列させたエリアセンサ(面センサ)との2種類に大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子数(画素数)が多いほど撮影された画像は精密になるので、近年は特に、大画素数の固体撮像素子を安価に製造する方法が検討されている。 The solid-state imaging device has a plurality of photoelectric conversion elements that receive an optical image from a subject and convert incident light into an electrical signal. The types of photoelectric conversion elements are roughly classified into CCD (charge coupled device) type and CMOS (complementary metal oxide semiconductor) type. Further, two types of arrangements of photoelectric conversion elements, a linear sensor (line sensor) in which the photoelectric conversion elements are arranged in one row, and an area sensor (surface sensor) in which the photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged in the vertical and horizontal directions. It is divided roughly into. In any of the sensors, as the number of photoelectric conversion elements (number of pixels) increases, the captured image becomes more precise. In recent years, in particular, a method for manufacturing a solid-state imaging element having a large number of pixels at low cost has been studied.
固体撮像素子に要求される性能で重要な課題の一つに、入射する光への感度を向上させることが挙げられる。小型化した固体撮像素子で撮影した画像の情報量を多くするためには受光部となる光電変換素子を微細化して高集積化する必要がある。しかし、光電変換素子を高集積化した場合、各光電変換素子の面積が小さくなり受光部として利用できる面積割合も減るので、光電変換素子の受光部に取り込める光の量が少なくなることから実効的な感度は低下する。このような微細化した固体撮像素子の感度低下を防止する手段として、光電変換素子の受光部に効率良く光を取り込むために、対象物から入射する光を1画素毎に集光して光電変換素子の受光部に導くマイクロレンズを、光電変換素子上に均一な形状に形成する技術が提案されている(特許文献1参照)。この技術では、マイクロレンズで光を集光して光電変換素子の受光部に導くことで、受光部の見かけ上の開口率を大きくすることが可能になり、固体撮像素子の感度が向上する。 One of the important issues in performance required for a solid-state imaging device is to improve the sensitivity to incident light. In order to increase the amount of information of an image photographed with a miniaturized solid-state imaging device, it is necessary to miniaturize and highly integrate a photoelectric conversion device serving as a light receiving unit. However, when the photoelectric conversion elements are highly integrated, the area of each photoelectric conversion element is reduced, and the area ratio that can be used as the light receiving portion is also reduced. Therefore, the amount of light that can be taken into the light receiving portion of the photoelectric conversion element is reduced. Sensitivity is reduced. As means for preventing the sensitivity of such a miniaturized solid-state imaging device from being lowered, in order to efficiently capture light into the light receiving portion of the photoelectric conversion device, the light incident from the object is condensed for each pixel and subjected to photoelectric conversion. There has been proposed a technique for forming a microlens led to a light receiving portion of an element in a uniform shape on a photoelectric conversion element (see Patent Document 1). In this technique, the light is collected by the microlens and guided to the light receiving portion of the photoelectric conversion element, whereby the apparent aperture ratio of the light receiving portion can be increased, and the sensitivity of the solid-state imaging device is improved.
カラー化したカラー固体撮像素子1の場合には、例えば図1に示すように、着色透明樹脂層からなるカラーフィルタ7の上に1画素毎(光電変換素子毎)に1個の無色透明なマイクロレンズ6を配置して集光し、色分解した光を光電変換素子3の受光部に導く構造となる。すなわち、カラー固体撮像素子1の場合、半導体基板2上に複数の光電変換素子3を平面配置してなる固体撮像素子画素部の受光面側表面4に、透明平坦化層5を介して、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターンのカラーフィルタ7を光電変換素子3のそれぞれに対応させて複数設けている。さらに第2の透明平坦化層51により着色透明画素パターンのカラーフィルタ7を配列した平面上の平坦化を行った後に、上記のマイクロレンズ6をカラーフィルタ7の着色透明画素パターンの各色および光電変換素子3に対応させて設けることで、感度の向上を図っている。
In the case of a color solid-state
また、レンズギャップ、受光部、カラーフィルタの各エッジ部の関係を調整することでマイクロレンズとカラーフィルタとの最適化することによって、撮像時の感度バラツキを低減する構造が特許文献2で提案されている。
また、マイクロレンズから受光部までの距離が長くなると固体撮像素子の感度低下につながるという課題に対して、カラーフィルタとマイクロレンズ間に形成する透明平坦化層を無くすことで光路を短縮するという方法が特許文献3で提案されている。
Further,
In addition, the method of shortening the optical path by eliminating the transparent flattening layer formed between the color filter and the microlens in response to the problem that the sensitivity of the solid-state imaging device is reduced when the distance from the microlens to the light receiving portion is increased. Is proposed in
ここで、上述のマイクロレンズを形成する方法として、種々の提案がなされているが、一般には感光性樹脂の熱溶融を伴う変形を利用する方法が採用される。例えば、特許文献4には、マイクロレンズの素材となる透明樹脂に感光性を付与して均一に塗布し、フォトリソグラフィ法により選択的にパターン形成した後に、材料の熱リフロー性を利用してレンズ形状を作るフローレンズ方式が記載されている。また特許文献5には、マイクロレンズの素材となる透明樹脂の平坦層の上に、アルカリ可溶性と感光性と熱リフロー性を有するレジスト材料を用いてフォトリソグラフィ法と熱リフローによりレンズ母型を形成し、ドライエッチング法によりレンズ母型の形状を透明樹脂層に転写する転写タイプが記載されている。
Here, various proposals have been made as a method for forming the above-described microlens. Generally, a method using deformation accompanying thermal melting of a photosensitive resin is employed. For example, in
マイクロレンズの光取り込み面積をできるだけ広く、すなわち、隣接するマイクロレンズとのギャップを狭くして、なおかつ、レンズ形状を良好に保つことが、固体撮像素子の実効的な感度を高く保持するための必要条件となる。
しかし、比較的製造工程が短くて容易なフローレンズ方式で製造する場合に、隣接するマイクロレンズとの境界部分における樹脂の熱リフロー挙動を制御して、狭ギャップと良好な形状とを保持することは高い難度を有し、品質の不安定要因となる。
また、着色透明画素パターンのカラーフィルタを用いてカラー画像を入力するカラー固体撮像素子では、光電変換素子毎に画素対応する着色透明画素上に設けるマイクロレンズのサイズ、または隣接するマイクロレンズとのギャップやレンズ形状のばらつきにより、集光性能にばらつきが生じると、色別の感度バランスが崩れて色表現上のムラ等の不具合が明瞭に発生するので、マイクロレンズの上記性能を高める必要性がさらに大きくなる。
Necessary to keep the effective sensitivity of the solid-state imaging device high by making the light capturing area of the microlens as wide as possible, that is, by narrowing the gap with the adjacent microlens and keeping the lens shape good It becomes a condition.
However, when manufacturing with the flow lens method, which has a relatively short manufacturing process, the thermal reflow behavior of the resin at the boundary between adjacent microlenses is controlled to maintain a narrow gap and good shape. Has a high degree of difficulty and causes quality instability.
In addition, in a color solid-state imaging device that inputs a color image using a color filter of a colored transparent pixel pattern, the size of a microlens provided on the colored transparent pixel corresponding to the pixel for each photoelectric conversion device, or a gap with an adjacent microlens If the light condensing performance varies due to variations in lens shape or the lens shape, the sensitivity balance for each color will be lost and defects such as unevenness in color expression will occur clearly. growing.
形成されるマイクロレンズの高さは、着色透明材料の成膜時に生じる色ごとの膜厚ばらつきに追従してばらつきを持つため集光性能低下の原因となる。そのため、図1に示されるように第2の透明平坦化層51により着色透明画素パターンを配列した平面の平坦化処理によって、その上部にマイクロレンズを均一形成している。しかし、カラーフィルタを構成する着色透明樹脂材料は、色ごとに屈折率など光学特性が異なることによって集光性に差が出るため、着色透明画素上に設けるマイクロレンズは色ごとに適正膜厚に形成することが望ましい。
The height of the formed microlens follows the film thickness variation for each color that occurs during the film formation of the colored transparent material, and therefore has a variation in light collection performance. Therefore, as shown in FIG. 1, the microlenses are uniformly formed on the upper portion by the flattening process of the plane in which the colored transparent pixel patterns are arranged by the second
本発明は、これらの問題点に鑑みて提案するものであり、カラー固体撮像素子に設けるマイクロレンズを、着色透明材料の色ごとに所望の形状かつ適正膜厚に簡易に設定可能なカラー固体撮像素子及びその製造手段を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of these problems, and a color solid-state imaging in which a microlens provided in a color solid-state imaging device can be easily set to a desired shape and an appropriate film thickness for each color of the colored transparent material. An object is to provide an element and a manufacturing method thereof.
課題を解決するために、本発明の一態様であるカラー固体撮像素子は、複数の画素に区画され、各画素のそれぞれに光電変換素子が配置された半導体基板と、
上記半導体基板の上に配置され入射光を光電変換素子のそれぞれに集光させる複数のマイクロレンズと、
上記半導体基板と上記マイクロレンズとの間に配置され、上記複数の光電変換素子の各々に対応して複数色を予め設定した規則で配置した着色透明画素パターンのカラーフィルタと、
上記カラーフィルタと上記マイクロレンズとの間に、上記マイクロレンズと同一素材からなる感光性透明樹脂層と、
を備え、
上記着色透明画素パターンを構成する複数色のうちから選択した色の上に位置するマイクロレンズの高さが、他のマイクロレンズの高さと異なり、
上記選択した色の上に位置する上記感光性透明樹脂層の膜厚と上記選択した色とは異なる色の上に位置する上記感光性透明樹脂層の膜厚とを調整することで、上記マイクロレンズの高さを変化させることを特徴とする。
In order to solve the problem, a color solid-state imaging device which is one embodiment of the present invention is divided into a plurality of pixels, and a semiconductor substrate in which a photoelectric conversion element is arranged in each pixel;
A plurality of microlenses arranged on the semiconductor substrate to collect incident light on each of the photoelectric conversion elements;
A color filter of a colored transparent pixel pattern arranged between the semiconductor substrate and the microlens, and arranged according to a preset rule for a plurality of colors corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements;
A photosensitive transparent resin layer made of the same material as the microlens, between the color filter and the microlens,
With
The height of the microlens positioned on the color selected from among the plurality of colors constituting the colored transparent pixel pattern is different from the height of the other microlens,
By adjusting the film thickness of the photosensitive transparent resin layer located on the selected color and the film thickness of the photosensitive transparent resin layer located on a color different from the selected color, the micro It is characterized by changing the height of the lens.
また本発明の一態様であるカラー固体撮像素子の製造方法は、表面が複数の画素に区画され、各画素のそれぞれに光電変換素子が配置された半導体基板と、上記半導体基板の上に配置され入射光を光電変換素子のそれぞれに集光させるマイクロレンズと、を備えるカラー固体撮像素子を製造する方法であって、
上記複数の光電変換素子の各々に対応して複数色を規則的に配置した着色透明画素パターンのカラーフィルタを上記半導体基板上に設ける工程と、
上記カラーフィルタの上に、感光性透明樹脂層をフォトリソグラフィによってパターニングする工程と、
上記感光性透明樹脂層の上にマイクロレンズを構成すべき感光性の透明樹脂層を形成し、フォトリソグラフィ法によりパターニングして凸面形状マイクロレンズパターンを形成する工程と、を備え、
上記感光性透明樹脂層の画素毎の膜厚を調整することで、上記着色透明画素パターンを構成する複数の色のうちから選択した第1の色の上に位置する上記マイクロレンズの高さを、上記第1の色とは異なる他色の上に位置する上記マイクロレンズの高さと変化させる
ことを特徴とする。
In addition, in the method for manufacturing a color solid-state imaging device which is one embodiment of the present invention, a surface is partitioned into a plurality of pixels, and a photoelectric conversion element is disposed in each pixel, and the semiconductor substrate is disposed on the semiconductor substrate. A method of manufacturing a color solid-state imaging device comprising: a microlens for condensing incident light on each of the photoelectric conversion devices;
Providing on the semiconductor substrate a color filter of a colored transparent pixel pattern in which a plurality of colors are regularly arranged corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements;
A step of patterning a photosensitive transparent resin layer on the color filter by photolithography,
Forming a photosensitive transparent resin layer to form a microlens on the photosensitive transparent resin layer, and patterning by a photolithography method to form a convex microlens pattern,
By adjusting the film thickness for each pixel of the photosensitive transparent resin layer, the height of the microlens positioned on the first color selected from the plurality of colors constituting the colored transparent pixel pattern is adjusted. The height of the microlens located on another color different from the first color is changed.
本発明によれば、着色透明画素パターンのカラーフィルタとマイクロレンズとの間に成膜される感光性透明樹脂層を例えば色ごとにパターニングするように膜厚調整することで、マイクロレンズ形成前に膜厚差を設けることができる。これによって、色ごとにマイクロレンズを適正高さに形成したカラー固体撮像素子を簡易に提供できる。 According to the present invention, the thickness of the photosensitive transparent resin layer formed between the color filter of the colored transparent pixel pattern and the microlens is adjusted to be patterned for each color, for example, before forming the microlens. A film thickness difference can be provided. Accordingly, a color solid-state imaging device in which microlenses are formed at appropriate heights for each color can be easily provided.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限られるものでない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
(第1実施形態)
マイクロレンズの基本的な製造プロセスとしては、前述のとおり、レンズ形状を直接形成するフローレンズタイプやレンズ母型からのエッチング転写タイプがあり、本発明に基づくカラー固体撮像素子の製造方法においてはいずれの方法も選択できる。エッチング工程が不要であることからフローレンズタイプのマイクロレンズ製造が望ましいが、パターンサイズやマイクロレンズ形状によって製造方法を選択する。
なお、フローレンズタイプの製造方法では着色透明画素パターンとマイクロレンズ間に成膜される感光性透明樹脂層とマイクロレンズを形成するための感光性透明樹脂層は光学特性が同等の材料を用いることが望ましい。
第1実施形態は、レンズ形状を直接形成するフローレンズタイプで製造する場合の例である。
(First embodiment)
As described above, the basic manufacturing process of a microlens includes a flow lens type that directly forms a lens shape and an etching transfer type from a lens mother mold. In the manufacturing method of a color solid-state imaging device according to the present invention, This method can also be selected. Since an etching process is unnecessary, it is desirable to manufacture a micro lens of a flow lens type, but a manufacturing method is selected depending on a pattern size and a micro lens shape.
In the flow lens type manufacturing method, the photosensitive transparent resin layer formed between the colored transparent pixel pattern and the microlens and the photosensitive transparent resin layer for forming the microlens are made of materials having the same optical characteristics. Is desirable.
1st Embodiment is an example in the case of manufacturing with the flow lens type which forms a lens shape directly.
図2は、本実施形態の固体撮像素子における着色透明画素パターンとマイクロレンズ間に成膜される感光性透明樹脂層の形成方法を説明するための模式断面図であって、図2(a)〜(c)の工程順に実施される。
図2(a)は、カラー固体撮像素子の着色透明画素パターンとマイクロレンズとの間に成膜される感光性透明樹脂層をパターニングする前の断面模式図である。
すなわち、図2(a)に示すように、シリコン等の半導体基板2上に、複数の光電変換素子3が規則的に設けられている。その複数の光電変換素子3を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、透明平坦化層5を介して、カラーフィルタ7が設けられている。カラーフィルタ7は、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターンを形成し、光電変換素子3に対応させて複数設けられている。そのカラーフィルタ7の上に、感光性透明樹脂層8が塗布によって形成されている。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for forming a photosensitive transparent resin layer formed between the colored transparent pixel pattern and the microlens in the solid-state imaging device of the present embodiment. It implements in order of the process of-(c).
FIG. 2A is a schematic cross-sectional view before patterning a photosensitive transparent resin layer formed between a colored transparent pixel pattern of a color solid-state imaging device and a microlens.
That is, as shown in FIG. 2A, a plurality of
感光性透明樹脂層8の形成は、例えば、アクリル系の透明樹脂材料にアルカリ可溶性、感光性を付与し、スピンコーターを用いて、例えば乾燥時の膜厚が0.1μm以上1.0μm以下の任意の膜厚となるように塗布する。そして感光性透明樹脂層8の塗布後に、ホットプレートを用いて短時間で均一に乾燥する。これによって、カラーフィルタ7の上に、感光性透明樹脂層8が形成される。
The formation of the photosensitive
次に、露光工程として、図2(b)に示すように、フォトリソグラフィ法によって感光性透明樹脂層8のパターニングを行う。以下、ポジ型の感光性材料を用いる例で説明する。
ポジ型の感光性透明樹脂層8に対して、高さを調整するために着色透明画素ごとに透過率が異なるフォトマスクを用いる。このとき、着色透明画素パターンのカラーフィルタ7は色ごとに膜厚が異なるため感光性透明樹脂層8も成膜時に膜厚が異なる。そのため、感光性透明樹脂層8が最も薄膜となる着色透明画素パターンの部分に対応する位置を遮光部にしたフォトマスクを用いて未露光処理としてもよい。また、凸レンズ状にパターニングする際には、パターン内に濃度階調を持たせたフォトマスクを用いてもよい。
Next, as the exposure step, as shown in FIG. 2B, the photosensitive
For the positive photosensitive
図2(b)に示す露光工程は、感光性透明樹脂層8のパターニングされるべき位置に対して、着色透明画素の色ごとに透過率が異なる設計のフォトマスク10を、正確に位置合わせを行って、例えば、超高圧水銀ランプ光源からの波長365nmの光を用いるi線ステッパーから、平行な照射光9を、着色透明画素の色ごとに透過率が異なる設計がされたフォトマスク10の背面から照射することによって露光する。露光条件は、使用する感光性透明樹脂層8の膜厚、感度、また、現像液の条件等により決定される。
In the exposure process shown in FIG. 2B, the photomask 10 having a design in which the transmittance is different for each color of the colored transparent pixel is accurately aligned with respect to the position where the photosensitive
次に、現像処理を行って、図2(c)に示すように現像処理直後のパターン化した透明樹脂層11を形成する。現像処理にはTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)やアミン系の有機アルカリ現像液を用いることができる。スピン現像法やパドル現像法によって感光性透明樹脂層8の現像処理を均一に進めることができ、フォトマスク10に対応する現像処理後のパターン化した透明樹脂層11を残して他の部分を溶解除去する。現像処理後はホットプレートを用いて短時間で均一に乾燥する。
Next, a development process is performed to form a patterned
図3は、本実施形態の固体撮像素子のフローレンズタイプのマイクロレンズ製造方法を説明するための模式断面図であって、図3(a)〜(c)の工程順に実施される。
図3(a)は、形成されたパターン化した透明樹脂層11上にマイクロレンズを構成すべき透明樹脂層14を塗布形成した状態を示す。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining the flow lens type microlens manufacturing method of the solid-state imaging device of the present embodiment, which is performed in the order of the steps of FIGS.
FIG. 3A shows a state in which a
透明樹脂層14の形成は、例えば、アクリル系の透明樹脂材料にアルカリ可溶性、感光性、熱リフロー性を付与し、スピンコーターを用いて例えば乾燥時の膜厚が0.1μm以上1.0μm以下の範囲の任意の膜厚となるように塗布することで行われる。特に、熱リフロー性は、表面粗さの小さい滑らかなマイクロレンズを得るために必要な性能だが、熱リフローによってマイクロレンズ形状に変化が生じることから、所望するマイクロレンズ形状によってリフローの程度を考慮した材料を選定することが望ましい。透明樹脂層14の塗布後はホットプレートを用いて短時間で均一に乾燥する。
The
次に、露光工程として、図3(b)に示すように、フォトリソグラフィ法によって感光性透明樹脂層14のパターニングを行う。以下、ポジ型の感光性材料を用いる例で説明する。ポジ型の感光性透明樹脂層14に対して、マイクロレンズ形状に形成する領域に対応して濃度階調を設けた遮光部13のパターンを形成した濃度階調付きフォトマスク12を用いる。
Next, as the exposure step, as shown in FIG. 3B, the photosensitive
図3(b)に示す露光工程は、透明樹脂層14のパターニングされるべき位置に対して、濃度階調付きフォトマスク12を正確に位置合わせし、例えば、超高圧水銀ランプ光源からの波長365nmの光を用いるi線ステッパーからの平行な照射光9を濃度階調付きフォトマスク12の背面から照射することにより露光する。露光条件は、使用する感光性透明樹脂層14の膜厚、感度、また、現像液の条件等により決定する。
In the exposure process shown in FIG. 3B, the
次に、現像処理を行って、図3(c)に示すように現像処理直後の透明樹脂パターンのマイクロレンズ20を形成する。現像処理にはTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)やアミン系の有機アルカリ現像液を用いることができる。スピン現像法やパドル現像法によって透明樹脂層8の現像処理を均一に進めることができ、フォトマスク12の遮光部13に対応する現像処理直後の透明樹脂パターンのマイクロレンズ20を残して他の部分を溶解除去する。
Next, development processing is performed to form a
次に、透明樹脂パターンのマイクロレンズ20を、材料の熱リフロー性を利用して熱溶融により成形することによってマイクロレンズを形成する。このとき、現像処理後の熱処理条件を適正化することによって、マイクロレンズ形状の制御が可能となる。そのため所望の形状にマイクロレンズを形成するための適正な熱処理条件を設定することが望ましい。このように、フローレンズタイプのマイクロレンズは、マイクロレンズの素材となる透明樹脂の感光性と熱リフロー性とを利用して、比較的短い工程で形成できる。
Next, the
本実施形態の固体撮像素子の製造におけるマイクロレンズ用フォトマスクは、例えば図4に示すものを利用する。図4(a)は、通常の2値化フォトマスク15の場合、図4(b)は、濃度階調を設けたフォトマスク12の場合を表す。
図4(b)に示す濃度階調を設けたフォトマスク12を用いた場合、濃度階調付き遮光部13のパターンの領域内は、例えば、各遮光部パターンの中央部が最大の遮光濃度を有し、周辺に向かうにつれて遮光性が低下するような濃度階調付き遮光部パターンとする。濃度階調を適切に制御することによって、フォトリソグラフィ法における露光量の緩やかな変化に追従した膜厚を再現し、現像後に凸面形状の曲面を得ることができる。
Photomask microlens in the production of the solid-state imaging device of the present embodiment utilizes the example as shown in FIG. FIG. 4A shows the case of a normal
When the
なお、通常の2値化フォトマスク15は、露光光に対して透明性の良好な石英やガラス等の基板表面に金属クロム等の遮光性膜による遮光部16のパターンを光透過部17と区別してパターン形成する方法などの、通常知られた方法で作製される。また、濃度階調を設けたフォトマスク12の濃度階調付き遮光部13を形成するには、上記基板上に、通常の濃度階調付きフォトマスクの製造方法を適用できる。すなわち、濃度階調を付けるには、遮光性の金属膜等の膜厚を漸次変化させて領域内に濃度傾斜を設ける手法や、ドット(網点)配列やライン・アンド・スペースのような遮光膜の微細パターンの集合状態を変化させて、微細パターン各領域の平均的遮光濃度に濃度階調を持たせたグレートーンタイプの手法などが適用可能である。
The normal
上記マイクロレンズを形成するためのマスクパターンは、作製したいレンズ形状になるように適正な濃度階調を設けることが望ましい。図5(a)および図5(b)に遮光領域18、光透過領域19を適正に配置することで濃度階調を設けたマスクパターン121,122(遮光部パターン)のフォトマスク12の一例を示す。例えば、作製したいレンズ形状が着色透明画素の色ごとに異なる場合はそれぞれに対応したパターン設計を実施する。感光性透明樹脂層14の露光量に対する膜減り量を把握しておくことによってフォトマスクの透過率設計で露光量の調整ができるため、同一露光条件でマイクロレンズを一括形成できる。感光性透明樹脂層14の膜減り量は、露光量に対して比例関係にあることが望ましい。レンズ高さは着色透明画素ごとに透明樹脂層11によって適正に調整できる。
The mask pattern for forming the microlens is desirably provided with an appropriate density gradation so as to have a lens shape to be manufactured. 5A and 5B, an example of the
ここで、カラーフィルタを構成する着色透明樹脂材料は、色ごとに屈折率など光学特性が異なることによって集光性に差が出る。このため、着色透明画素上に設けるマイクロレンズは色ごとに適正膜厚に形成されるように、感光性透明樹脂層の膜厚を調整する。
すなわち、本実施形態によれば、着色透明画素パターンのカラーフィルタとマイクロレンズとの間に成膜される感光性透明樹脂層を例えば色ごとにパターニングするように膜厚調整することで、マイクロレンズ形成前に膜厚差を設けることができる。
これによって、例えばマイクロレンズ形成工程では全色同設計の濃度階調を設けたフォトマスクを用いて一括形成しても、色ごとにマイクロレンズを適正高さに形成したカラー固体撮像素子を簡易に提供できる。
また、着色透明画素パターンとマイクロレンズ間に成膜される感光性透明樹脂層のパターニングに用いる濃度階調を設けたフォトマスクは、厚さ調整工程になることから微細な加工が不要であること、また、マイクロレンズ形成工程で使用する濃度階調を設けたフォトマスクは着色透明画素パターンごとに設計しなくてもよいことから、安価に高品質なカラー固体撮像素子を提供できる。
Here, the colored transparent resin material constituting the color filter has a difference in light condensing property due to different optical characteristics such as refractive index for each color. For this reason, the film thickness of the photosensitive transparent resin layer is adjusted so that the microlens provided on the colored transparent pixel is formed with an appropriate film thickness for each color.
That is, according to the present embodiment, the microlens is adjusted by adjusting the film thickness so that, for example, the photosensitive transparent resin layer formed between the color filter of the colored transparent pixel pattern and the microlens is patterned for each color. A film thickness difference can be provided before formation.
As a result, for example, in the microlens formation process, even if the photomask is provided with density gradations of the same design for all colors, a color solid-state imaging device in which microlenses are formed at appropriate heights for each color can be simplified. Can be provided.
In addition, the photomask provided with the density gradation used for patterning of the photosensitive transparent resin layer formed between the colored transparent pixel pattern and the microlens is a thickness adjustment step, so that fine processing is unnecessary. In addition, since the photomask provided with the density gradation used in the microlens formation process does not have to be designed for each colored transparent pixel pattern, a high-quality color solid-state imaging device can be provided at a low cost.
(第2実施形態)
次に第2実施形態について図面を参照して説明する。なお、上記第1実施形態と同様な部材については同一の符号を付して説明する。
第2実施形態は、レンズ母型からのエッチング転写タイプで製造する場合の例である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated about the member similar to the said 1st Embodiment.
The second embodiment is an example in the case of manufacturing with an etching transfer type from a lens matrix.
図6は、本実施形態の固体撮像素子のマイクロレンズ作製工程が濃度階調付きフォトマスクを用いるエッチング転写タイプの製造工程を有する例を説明するための模式断面図であって、図6(a)〜(d)の工程順で行われる。
図6(a)は、カラー固体撮像素子のマイクロレンズを設ける前の断面模式図であって、前述の図3(a)に類似した構成となっている。すなわち、カラーフィルタ7上に、図2に説明したように、感光性透明樹脂層11をパターニングする。なお、感光性透明樹脂層11を形成する透明樹脂材料は、後述のドライエッチングによる転写を想定するため、ドライエッチング適性の優れた材料が望ましい。例えば透明樹脂材料として、アクリル系の透明樹脂材料を用いることができる。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining an example in which the microlens manufacturing process of the solid-state imaging device of the present embodiment includes an etching transfer type manufacturing process using a photomask with density gradation, and FIG. ) To (d) in the order of steps.
FIG. 6A is a schematic cross-sectional view before providing a microlens for a color solid-state imaging device, and has a configuration similar to that of FIG. That is, the photosensitive
次に、パターニングした透明樹脂層11上に、アルカリ可溶性と感光性を有する樹脂であるフォトレジスト材料をスピンコーターにより均一に塗布してフォトレジスト層21を形成する。フォトレジスト層21としてアクリル系またはノボラック系のポジ型レジスト材料を、スピンコーターを用いて乾燥膜厚が0.1μm以上1.0μm以下の範囲の任意の膜厚となるように均一に塗布する。乾燥は100℃以下の低温で行う。
Next, a
次に、露光工程として、図6(b)に示すように、フォトリソグラフィ法により、フォトレジスト層21のパターニングを行う。ここで、ポジ型のフォトレジスト層21に対して、マイクロレンズ形状に残すべき領域に対応して濃度階調を設けた遮光部13のパターンを形成した濃度階調付きフォトマスク12を予め準備しておく。
Next, as an exposure step, as shown in FIG. 6B, the
上記マイクロレンズ母型を形成するためのマスクパターンは、図5での説明と同様に、着色透明画素の色ごとに適正な濃度階調を設けることが望ましい。これによって同一露光条件で色ごとに適正なレンズ形状にマイクロレンズ母型を形成できる。レンズ高さは着色透明画素ごとに透明樹脂層11によって適正に調整できる。
As for the mask pattern for forming the microlens matrix, it is desirable to provide an appropriate density gradation for each color of the colored transparent pixels, as described in FIG. As a result, a microlens matrix can be formed in an appropriate lens shape for each color under the same exposure conditions. The lens height can be appropriately adjusted by the
図6(b)に示す露光工程は、フォトレジスト層21のパターニングされるべき位置に対して、濃度階調付きフォトマスク12を正確に位置合わせし、例えば、超高圧水銀ランプ光源からの波長365nm光を用いるi線ステッパーからの平行な照射光9を濃度階調付きフォトマスク12の背面から照射することにより露光する。露光条件は、使用するフォトレジスト層21の膜厚、感度、また、現像液の条件等により決定する。
In the exposure step shown in FIG. 6B, the
次に、現像処理を行って、図6(c)に示すように、フォトレジストによる転写用マイクロレンズパターン22を形成する。現像には、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)やアミン系の有機アルカリ現像液を用いることができる。スピン現像やパドル現像の方法により、フォトレジスト層21の現像処理を均一に進めることができ、フォトマスク12の遮光部13に対応する凸面形状を有する転写用マイクロレンズパターン22を残すように、他の部分を溶解除去する。
Next, development processing is performed to form a
次に、パターニングした透明樹脂層11上に形成した転写用マイクロレンズパターン22をエッチングレジストとして、上記透明樹脂層11にエッチング転写し、図6(d)に示すように、マイクロレンズ6を形成する。エッチング処理の方法としては、C3F8等のフッ素系ガスによるドライエッチングを行うことができる。ドライエッチングにより転写されるマイクロレンズ6の断面形状は、レンズ母型とした転写用マイクロレンズパターン22に対して基本的に忠実であるが、転写用マイクロレンズパターン22の素材となるフォトレジスト層21と、マイクロレンズ6の素材となる透明樹脂層11との、実際のドライエッチング条件におけるエッチングレート比や、エッチング深度により種々の影響を受けて変化するので、個々の事例において条件の調整を行う。
Next, the
上述の転写タイプのマイクロレンズ6は、比較的露光感度が高くて微細パターンも高精度に形成できるフォトレジスト層21から得られるレンズ母型22を用いて、高精度に着色透明画素の色ごとに適正なレンズ高さ、レンズ形状にマイクロレンズを形成できる。
The above-described
1 カラー固体撮像素子
2 半導体基板
3 光電変換素子
4 受光面側表面
5 透明平坦化層
6 マイクロレンズ
7 カラーフィルタ(着色透明画素パターン)
8 感光性透明樹脂層
8 透明樹脂層(感光性)
9 照射光
10 フォトマスク(着色透明画素の色ごとに透過率が異なる設計)
11 パターン化した透明樹脂層(膜厚調整用)
12 フォトマスク(濃度階調付き)
13 遮光部
14 感光性透明樹脂層(マイクロレンズ用)
15 フォトマスク(2値化)
16 遮光部
17 光透過部
18 遮光領域
19 光透過領域
20 マイクロレンズ
21 フォトレジスト層
22 転写用マイクロレンズパターン(レンズ母型)
51 第2の透明平坦化層
121,122 マスクパターン
DESCRIPTION OF
8 Photosensitive
9 Irradiation light 10 Photomask (Design with different transmittance for each color of colored transparent pixels)
11 Patterned transparent resin layer (for film thickness adjustment)
12 Photomask (with density gradation)
13
15 Photomask (binarization)
16
51 2nd transparent planarization layer 121,122 mask pattern
Claims (5)
上記半導体基板の上に配置され入射光を上記光電変換素子のそれぞれに集光させる複数のマイクロレンズと、
上記半導体基板と上記マイクロレンズとの間に配置され、上記複数の光電変換素子の各々に対応して複数色を予め設定した規則で配置した着色透明画素パターンのカラーフィルタと、
上記カラーフィルタと上記マイクロレンズとの間に、上記マイクロレンズと同一素材からなる感光性透明樹脂層と、
を備え、
上記着色透明画素パターンを構成する複数色のうちから選択した色の上に位置するマイクロレンズの高さが、他のマイクロレンズの高さと異なり、
上記選択した色の上に位置する上記感光性透明樹脂層の膜厚と上記選択した色とは異なる色の上に位置する上記感光性透明樹脂層の膜厚とを調整することで、上記マイクロレンズの高さを変化させることを特徴とするカラー固体撮像素子。 A semiconductor substrate that is partitioned into a plurality of pixels, and a photoelectric conversion element is disposed in each pixel;
A plurality of microlenses arranged on the semiconductor substrate to collect incident light on each of the photoelectric conversion elements;
A color filter of a colored transparent pixel pattern arranged between the semiconductor substrate and the microlens, and arranged according to a preset rule for a plurality of colors corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements;
A photosensitive transparent resin layer made of the same material as the microlens, between the color filter and the microlens,
With
The height of the microlens positioned on the color selected from among the plurality of colors constituting the colored transparent pixel pattern is different from the height of the other microlens,
By adjusting the film thickness of the photosensitive transparent resin layer located on the selected color and the film thickness of the photosensitive transparent resin layer located on a color different from the selected color, the micro A color solid-state imaging device characterized by changing the height of a lens.
上記複数の光電変換素子の各々に対応して複数色を規則的に配置した着色透明画素パターンのカラーフィルタを上記半導体基板の上に設ける工程と、
上記カラーフィルタの上に、感光性透明樹脂層をフォトリソグラフィによってパターニングする工程と、
上記感光性透明樹脂層の上にマイクロレンズを構成すべき感光性の透明樹脂層を形成し、フォトリソグラフィ法によりパターニングして凸面形状マイクロレンズパターンを形成する工程と、を備え、
上記感光性透明樹脂層の画素毎の膜厚を調整することで、上記着色透明画素パターンを構成する複数の色のうちから選択した第1の色の上に位置する上記マイクロレンズの高さを、上記第1の色とは異なる他色の上に位置する上記マイクロレンズの高さと変化させる
ことを特徴とするカラー固体撮像素子の製造方法。 A semiconductor substrate having a surface partitioned into a plurality of pixels and a photoelectric conversion element disposed on each pixel; and a microlens disposed on the semiconductor substrate and collecting incident light on each of the photoelectric conversion elements. A method for producing a color solid-state imaging device comprising:
Providing a color filter of a colored transparent pixel pattern in which a plurality of colors are regularly arranged corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements on the semiconductor substrate;
A step of patterning a photosensitive transparent resin layer on the color filter by photolithography,
Forming a photosensitive transparent resin layer to form a microlens on the photosensitive transparent resin layer, and patterning by a photolithography method to form a convex microlens pattern,
By adjusting the film thickness for each pixel of the photosensitive transparent resin layer, the height of the microlens positioned on the first color selected from the plurality of colors constituting the colored transparent pixel pattern is adjusted. A method of manufacturing a color solid-state imaging device, wherein the height of the microlens positioned on another color different from the first color is changed.
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