JP2017092180A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロレンズ形状の制御可能な固体撮像素子の製造方法と、集光効率を高めるマイクロレンズ構造を具備する固体撮像素子を提供する。
【解決手段】固体撮像素子７は、半導体基板１上に形成された複数の光電変換素子２と、光電変換素子２のそれぞれに対応して、波長帯域ごとの光を透過させる複数のカラーフィルタ層４と、上記各カラーフィルタ層４上に形成されて光を集束するマイクロレンズ１０とを有し、上記マイクロレンズ１０は、２層以上の多層構造で形成され、相対的に上層６が下層５よりも屈折率が低い。
【選択図】図１

Description

本発明は、画素毎にマイクロレンズを有する固体撮像素子及びその製造方法に関する。

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。
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次元的に配列されたエリアセンサ（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の数（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。

また、光電変換素子に入射する光の経路に特定の波長の光を透過するカラーフィルタ機能を設けることで、対象物の色情報を得ることを可能とした単板式のカラーセンサとしてのカラー固体撮像素子も普及している。カラー固体撮像素子は、１個の光電変換素子に対応して特定の着色透明画素による１画素をパターン形成して、規則的に多数配列することにより、色分解した画像情報を集めることができる。着色透明画素の色としては、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色からなる３原色系、あるいは、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー色（Ｙ）からなる補色系が一般的であり、特に３原色系が多く使われている。

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小さくなり、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の低下を防止するための手段として、特許文献１には、光電変換素子の受光部に効率良く光を取り込むために、対象物から入射される光を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。これによれば、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の向上が可能になる。

ここで、マイクロレンズの形成方法としては、マイクロレンズの素材となる透明なアクリル系感光性樹脂を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タイプや、マイクロレンズの素材となるアクリル透明樹脂の平坦層の上に、アルカリ可溶性と感光性と熱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アクリル透明樹脂層に転写してレンズ形状を形成するエッチング転写タイプがある。

特開２００７−１６５７１３号公報

近年の固体撮像素子は多画素化が進み、数百万画素を超える高精細な固体撮像素子が要求されるようになり、この高精細な固体撮像素子に付随するマイクロレンズの感度低下、及びフレアなどのノイズ増加による画質低下が問題となっている。
また、マイクロレンズから光電変換素子の受光部に取り込める光の量は、マイクロレンズよりも下層に配置される層の種類や厚さに応じて変動するので、単一のマイクロレンズ形状を用いての固体撮像素子の構成だと感度低下を引き起こす問題もある。
これらの課題を解決するには、各個体撮像素子に応じた最適なマイクロレンズ形状が求めることが出来れば、それによって固体撮像素子の感度向上に繋がる。

しかしながら、上述した２つのマイクロレンズ形成方法は、熱リフローによりマイクロレンズ形状を整えるため形状制御が難しい。
本発明の目的は、マイクロレンズ形状の制御可能な固体撮像素子の製造方法と、集光効率を高めるマイクロレンズ構造を具備する固体撮像素子を提供することにある。

課題を解決するために、本発明の一態様の固体撮像素子は、半導体基板上に形成された複数の光電変換素子と、光電変換素子のそれぞれに対応して、波長帯域ごとの光を透過させる複数のカラーフィルタ層と、上記各カラーフィルタ層上に形成されて光を集束するマイクロレンズとを有し、上記マイクロレンズは、２層以上の多層構造で形成され、相対的に上層が下層よりも屈折率が低いことを特徴とする。
また、本発明の一態様である固体撮像素子の製造方法は、複数の光電変換素子が形成された半導体基板の上に、各光電変換素子に対応させてカラーフィルタ層を形成する工程と、カラーフィルタ層の上にマイクロレンズを形成する工程と、を有し、上記マイクロレンズを形成する工程は、互いに屈折率が異なる透明樹脂を屈折率の高い透明樹脂から順に２層以上塗布する工程と、マイクロレンズの上層に対してグレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法によりマイクロレンズの母型を形成する工程と、ドライエッチング転写法にて上記マイクロレンズの母型をマイクロレンズの下層に一部転写する工程と、を有することを特徴とする。

本発明の態様によれば、マイクロレンズを、下層から上層に向けて屈折率の高くなるようにマイクロレンズ材料を順に積層して多層構造することで、光電変換素子への集光効率を高められる効果がある。
また、マイクロレンズ上層に対してグレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法によりマイクロレンズの母型を形成することで、熱リフローでのマイクロレンズ形状の形成よりマイクロレンズ形状の制御が容易となり、各個体撮像素子毎に最適なマイクロレンズ形状を選択し形成することが可能となることで、光電変換素子への集光効率が高められる。

本発明に基づく実施形態に係る固体撮像素子の一例を示す概念図である。 垂直入射光の光路を示す図である。 斜入射光の光路を示す図である。 本発明に基づく実施形態に係る固体撮像素子のマイクロレンズ製造方法を示す図である。

以下に、本発明に基づく実施形態について図面を参照して説明する。
＜構成＞
図１に示すように、本実施形態の固体撮像素子７は、半導体基板１の上に、光電変換素子２、平坦化層３、カラーフィルタ層４、及びマイクロレンズ１０がこの順に積層されて形成されている。本実施形態のマイクロレンズ１０は、高屈折率透明樹脂５と低屈折率透明樹脂６との２層の多層構造から構成される。多層構造として２層構造を例示しているが、マイクロレンズ１０が３層以上の多層構造で構成されていても良い。すなわち、マイクロレンズ１０は、下層から上層に向けて順に屈折率の高くなるように複数のマイクロレンズ材料を順に積層してなる多層構造からなる。マイクロレンズ材料は、通常、アクリル樹脂などの樹脂であり、透明が好ましいが、色が付いていても良い。

半導体基板１は、光電変換素子２を実装するための基板である。光電変換素子２は、マイクロレンズ１０を経由して入射した光を電荷に変換する。平坦化層３はマイクロレンズ１０の実装面を平坦化する。カラーフィルタ層４は、光電変換素子２に入射する光の経路に特定の波長の光を透過する役割がある。
マイクロレンズ１０は、互いに屈折率が異なる２つ以上の透明樹脂から構成されおり、マイクロレンズ１０の下層から上層に向けて屈折率の高い透明樹脂が順に積層されて形成されて、多層構造となっている。

＜作用その他＞
本実施形態の固体撮像素子７では、マイクロレンズ１０に入射される光が垂直入射光の場合、図２に示す光路のように、光がマイクロレンズ１０に入射し、マイクロレンズ１０内を進み、カラーフィルタ層４、平坦化層３を通って光電変換素子２に入る。このとき、マイクロレンズ１０内で、図２のように複数の光路が互いに近づくように光路変更される。
またマイクロレンズ１０に入射される光が斜め入射光の場合も、図３に示す光路のように、垂直入射と同様に、マイクロレンズ１０内を進み、カラーフィルタ層４、平坦化層３を通って光電変換素子２に入る。
本実施形態の固体撮像素子７では、上述のように、１つのマイクロレンズ１０を屈折率の異なる２つ以上の透明樹脂の層から構成することにより、入射光を効率的に光電変換素子２へ集光でき、集光効率を高めることができる。

＜製造方法＞
上述した固体撮像素子７のマイクロレンズ１０の製造方法について、図４を参照しつつ説明する。
まず、光電変換素子２が表面部に形成された半導体基板１（図４では不図示）の上に、平坦化層３（図４では不図示）、カラーフィルタ層４を順次積層する。次に、高屈折率透明樹脂５を塗布し、その上層に感光性のある低屈折率透明樹脂６を塗布し多層構造にする（図４（ａ）参照）。
マイクロレンズ１０上層の感光性のある低屈折率透明樹脂６に対して、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法に基づき、露光、現像、及びベークしてマイクロレンズ１０の母型を形成する（図４（ｂ）（ｃ）参照）。グレートーンマスクを用いることにより、マイクロレンズ１０の母型の形状を制御することが容易となる。

次に、ドライエッチング転写法にて、マイクロレンズ１０上層で形成したレンズ母型を、高屈折率透明樹脂５の一部まで転写する。その際、マイクロレンズ１０上層の低屈折率透明樹脂６は全てをエッチングせずに途中までエッチングした状態となるようにする（図４（ｄ）参照）。続けて、マイクロレンズ１０下層の部分をエッチングして、最終的なマイクロレンズ１０とする（図４（ｅ）参照）。このように処理することで、マイクロレンズ１０は上下２層構造となり、マイクロレンズ１０下層が高屈折率透明樹脂５、上層が低屈折率透明樹脂６で形成される。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態の固体撮像素子７によれば、マイクロレンズ１０を、下層から上層に向けて屈折率の高くなるようにマイクロレンズ材料を順に積層して多層構造することで、光電変換素子への集光効率を高められる効果がある。この結果、より明るい画像を撮像することが可能となる。
また、マイクロレンズ上層に対してグレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法によりマイクロレンズ１０の母型を形成することで、熱リフローでのマイクロレンズ形状の形成よりマイクロレンズ形状の制御が容易となり、各個体撮像素子毎に最適なマイクロレンズ形状を選択し形成することが可能となることで、光電変換素子２への集光効率が高められる。

以下、本実施例を説明する。
半導体基板１として、厚さ０．７５ｍｍ、直径２０ｃｍのシリコンウエハを使用した。このシリコンウエハの表面上部に光電変換素子２を形成し、その最上層に、熱硬化タイプのアクリル樹脂塗布液を用いてスピンコートにて平坦化層３を形成した。
次いで、平坦化層３上に、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）３色のカラーレジストを用い、フォトリソグラフィ法により、順次３色のカラーフィルタ層４を形成した。各々のカラーフィルタ層４の膜厚は、０．５〜０．８μｍになるように形成した。カラーフィルタ層４の画素の配列は、一画素おきに緑色（Ｇ）フィルタが設けられ、緑色（Ｇ）フィルタの間に一行おきに赤（Ｒ）フィルタと青（Ｂ）フィルタが設けられた、いわゆるベイヤー配列とした。

次に、カラーフィルタ層４上に屈折率１．５２のアクリル系透明樹脂を膜厚０．５μｍで塗布し、１８０℃で３分間加熱して硬膜化処理を行った。その上層に、屈折率１．４５のアルカリ可溶性・感光性を有するスチレン系透明樹脂を膜厚１．０μｍで塗布し２層構造とした。
その後、スチレン系透明樹脂に対して、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法にてマイクロレンズ１０の母型を形成した。今回のグレートーンマスクはマイクロレンズ１０の母型が半球面形状になるように設計されたものを使用したため、マイクロレンズ１０の母型は半球面に近い形状となった。マイクロレンズ１０の高さは０．８μｍであった。

次に、ドライエッチング転写法にて、半球面形状のマイクロレンズ１０母型を、マイクロレンズ下層のアクリル系透明樹脂に転写した。その際、マイクロレンズ１０上層のスチレン系透明樹脂を全てドライエッチング処理せずに、スチレン系透明樹脂の膜厚が０．３μｍになるまでドライエッチングした。このときのドライエッチングは、フロン系ガスであるＣＦ_４とＣ_３Ｆ_８の混合系ガスを用いて、３分間ドライエッチング処理した。
このように形成された固体撮像素子７と従来品（マイクロレンズを一層とした構成品）とについて受光効率を計測したところ、本固体撮像素子７の方が約５％程度良好な結果であることを確認した。光効率が向上し固体撮像素子７の高感度化を図ることができた。

１ 半導体基板
２ 光電変換素子
３ 平坦化層
４ カラーフィルタ層
５ 高屈折率透明樹脂
６ 低屈折率透明樹脂
７ 固体撮像素子
１０ マイクロレンズ

Claims (4)

1. 半導体基板上に形成された複数の光電変換素子と、光電変換素子のそれぞれに対応して、波長帯域ごとの光を透過させる複数のカラーフィルタ層と、上記各カラーフィルタ層上に形成されて光を集束するマイクロレンズとを有し、
   上記マイクロレンズは、２層以上の多層構造で形成され、相対的に上層が下層よりも屈折率が低いことを特徴とする固体撮像素子。
2. 上記マイクロレンズの各層は、互いに屈折率が異なる透明樹脂から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 複数の光電変換素子が形成された半導体基板の上に、各光電変換素子に対応させてカラーフィルタ層を形成する工程と、カラーフィルタ層の上にマイクロレンズを形成する工程と、を有し、
   上記マイクロレンズを形成する工程は、互いに屈折率が異なる透明樹脂を屈折率の高い透明樹脂から順に２層以上塗布する工程と、マイクロレンズの上層に対してグレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法によりマイクロレンズの母型を形成する工程と、ドライエッチング転写法にて上記マイクロレンズの母型をマイクロレンズの下層に一部転写する工程と、を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
4. 上記マイクロレンズの形成は、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法によりマイクロレンズの母型を形成することで、マイクロレンズの母型の形状を制御することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子の製造方法。