JP2017092302A - 固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子の精細化が進み、画素の面積が小さくなっても、固体撮像素子の厚みを増す事無く、感度の低下を抑制することができ、さらに固体撮像素子に積層されたカラーフィルタの退色速度を遅延させることのできる固体撮像素子を提供することである。【解決手段】基板６上にマトリクス状に形成された光電変換素子５上に、色分解用のカラーフィルタ３と集光用のマイクロレンズとがその順に備えられた固体撮像素子において、光電変換素子が形成された領域の周囲にはシール材からなる隔壁４が形成されており、その隔壁の上面には、カバーガラス１が接着されており、基板と隔壁とカバーガラスによって形成された閉鎖空間には、透明な液体である流動体７が充填されており、マイクロレンズは、カラーフィルタ側に凹部の底が配置するように形成された凹型マイクロレンズ２であることを特徴とする固体撮像素子１０。【選択図】図１

Description

本発明は、マトリックス状に配置した光電変換素子を画素とする固体撮像素子およびその製造方法に関する。

半導体を用いたイメージセンサである固体撮像素子は、マトリックス状に配置された光電変換素子を画素として、光電変換された電圧または電流情報からイメージ情報として出力するために用いられる。一般的には、カメラ用途であるため、カラーフィルタを各光電変換素子上に配置したカラーイメージを出力できる半導体装置となっている（例えば特許文献１参照）。

この固体撮像素子は一眼レフに代表されるカメラ単体のみならず、携帯電話やスマートフォンなどのモバイルデバイスに搭載されるＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）またはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサとして普及しており、高性能化、高耐久化が求められている。

特にモバイルデバイス向けに搭載されるようになり、固体撮像素子自体の小型化、薄型化が求められている。

固体撮像素子の小型化、薄型化が進むに従い、画素自体の精細化、微小化が進み、光電変換素子の感度低下や紫外線によるカラーフィルタの退色劣化などの課題が表面化している。

特に、画素の精細化、微小化は、光の集光率に直結する光電変換素子の面積が縮小するため、感度低下が著しい。

これを解決するため、カラーフィルタ上に球面形状の凸型マイクロレンズを形成し、集光率を向上させる技術が開示されており（例えば特許文献２参照）、一般的な固体撮像素子の構造として認知されている。

しかし、さらなる画素の高精細化に対しては、さらに集光率を高めるために非球面形状にするなどの形状の最適化が必要となる。

また、カラーフィルタを薄層化すると、色の退色速度が速くなることが判明している。その原因は、薄層化に伴いカラーフィルタ層の顔料成分比が高くなり、これまで顔料表面に存在していた樹脂成分が減少するために、紫外線等の外的因子が直接的に顔料へ影響するためと考えられている。

これを解決するため、カラーフィルタ層に紫外線吸収剤を混合することが提案されている（例えば特許文献３参照）。しかし、カラーフィルタ層に紫外線吸収剤を混合しても、カラーフィルタ層の表面層には効果が低く、退色速度を遅延させるには不十分であるといわざるを得ない。

図２に示した一般的な固体撮像素子１１の断面図によると、基板６とカバーガラス１と隔壁４が形成する閉鎖空間には空気が充填されている。そのため、一般的なカバーガラスの屈折率を１．５、空気の屈折率を１．０とすると、表面反射率は４．０％となる。

特許第１３２３３５２号公報 特許第１８９８５２９号公報 特開２０１１−１９１４８３号公報

上記の事情に鑑み、本発明の課題は、固体撮像素子の精細化が進み、画素の面積が小さくなっても、固体撮像素子の厚みを増す事無く、感度の低下を抑制することができ、さらに固体撮像素子に積層されたカラーフィルタの退色速度を遅延させることのできる固体撮像素子を提供することである。

上記の課題を解決する手段として、本発明の請求項１に記載の発明は、基板上にマトリクス状に形成された光電変換素子上に、色分解用のカラーフィルタと集光用のマイクロレンズとがその順に備えられた固体撮像素子において、
光電変換素子が形成された領域の周囲にはシール材からなる隔壁が形成されており、
その隔壁の上面には、光電変換素子が形成された領域を覆うようにカバーガラスが接着されており、
基板と隔壁とカバーガラスによって形成された閉鎖空間には、透明な液体である流動体が充填されており、
マイクロレンズは、カラーフィルタ側に凹部の底が配置するように形成された凹型マイクロレンズである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、前記流動体に紫外線吸収剤が含有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である。

また、請求項３に記載の発明は、前記流動体に含有される紫外線吸収剤が、重量比で０％より大きく２０％以内であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子である。

また、請求項４に記載の発明は、前記流動体の屈折率が、前記カバーガラスの屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像素子である。

また、請求項５に記載の発明は、前記流動体の屈折率は１．５より大きく２．０より小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子である。

また、請求項６に記載の発明は、前記マイクロレンズの屈折率が、前記流動体の屈折率より小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像素子である。

また、請求項７に記載の発明は、前記マイクロレンズの屈折率が、前記流動体の屈折率より５％以上３０％以下の差があることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像素子である。

また、請求項８に記載の発明は、光電変換素子がマトリクス状に形成された基板上に、光電変換素子に位置合わせして色分解用のカラーフィルタを形成する工程と、
カラーフィルタの上に、カラーフィルタに位置合わせしてマイクロレンズを形成する工程と、
基板上のマイクロレンズが形成された領域を取り囲む様にシール材からなる隔壁を形成
する工程と、
隔壁の上面にカバーガラスを接着して閉鎖空間を形成する工程と、
閉鎖空間に透明な液体である流動体を充填する工程と、を備えている固体撮像素子の製造方法において、
マイクロレンズを形成する工程が、カラーフィルタ側に凹部が配置するように形成した凹型マイクロレンズを形成する工程であることを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

本発明の固体撮像素子によれば、基板と隔壁とカバーガラスが形成する閉鎖空間には液体状の流動体が充填されており、その流動体の屈折率をカバーガラスの屈折率に近くなるように調整することで、表面反射率を４．０％よりも低くすることができる。

これにより、光電変換素子内に取り込む光量が増え、固体撮像素子の精細化に伴う感度低下を抑制する効果がある。

また、本発明の固体撮像素子は、流動体よりも低屈折率の凹型マイクロレンズを含むマイクロレンズ層を採用している。これにより、マイクロレンズ層の厚みを増すことなく、固体撮像素子の薄型化をさらに進めることが出来る。

さらに、本発明の固体撮像素子は、流動体に紫外線吸収剤を混合することで、カラーフィルタ層全体を紫外線から保護することができる。そのため、従来の固体撮像装置で懸念されていた小型化に伴うカラーフィルタの退色を回避することが出来る。

このように、マイクロレンズ層とカバーガラスの間に流動体を充填し、マイクロレンズ層に凹型形状を採用し、さらに流動体に紫外線吸収剤を配合することで、従来の固体撮像素子の小型化、薄型化に伴うさまざまな課題を改善することの出来る固体撮像素子を作製することが出来る。

本発明の固体撮像素子の一実施形態に関わる断面図である。 一般的な固体撮像素子の一実施形態に関わる断面図である。

本発明の固体撮像素子について、図１を用いて説明する。
＜固体撮像素子の構成＞
本発明の固体撮像素子１０の光電変換素子５が二次元配列またはマトリクス状に形成されている基板６の各光電変換素子５の上には、カラーフィルタ３と凹型マイクロレンズ２が、凹型マイクロレンズ２の凹部の底をカラーフィルタ３側に配置して、この順に積層されている。また、光電変換素子５上にカラーフィルタ３と凹型マイクロレンズ２が形成された領域を囲むようにシール材からなる隔壁４を形成しており、そのシール材の隔壁４を支持体とすることで凹型マイクロレンズ２とカバーガラス１が接触しないように、カバーガラス１がシール材からなる隔壁４の上面に接着されている。これにより形成された隔壁４とカバーガラス１と基板６の間に形成された閉鎖空間には流動体７が充填されている。

＜固体撮像素子の動作＞
次に、本発明の固体撮像素子１０の動作について簡単に説明する。撮像対象物から反射された照射光が、カバーガラス１および流動体７を透過し、凹型マイクロレンズ２に入射する。画素ごとに配置されている光電変換素子５は画素サイズより小さく、一般に５０％以下であるため、光電変換素子５より受光面積が大きい凹型マイクロレンズ２により光を
光電変換素子に集光し、光量を増やすことで感度を向上させている。また、画素ごとに色分解用のカラーフィルタ３を凹型マイクロレンズ２と光電変換素子５の間に設置することで、色情報を取得しカラーイメージを出力することが出来る。

＜固体撮像素子の製造方法および材料＞
次に、本発明の固体撮像素子１０を構成する材料および加工方法について説明する。

（カラーフィルタ）
シリコンウェハを用いたウェハープロセスにより光電変換素子５が形成された基板６上に、まずカラーフィルタ３を形成する。ただし、ここでは基板６としてシリコンウェハを用いた例で説明しているが、これに限定する必要はなく、光電変換素子５の形成と共に、その周辺回路も形成できる半導体材料であれば良い。

カラーフィルタ３の形成方法としては、一般的なフォトリソグラフィ方式のカラーフィルタ製造方法を好適に使用可能であるが、これに限定する必要はなく、各種の転写法、インクジェット印刷、スクリーン印刷、凹版オフセット印刷など様々なカラーフィルタ形成技術を使用することが可能である。

次に、カラーフィルタ３の材料について説明する。
カラーフィルタ含有の着色顔料については、赤色着色層もしくは赤色画素を形成するための赤色着色組成物としては、例えばＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ ７、９、１４、４１、４８：１、４８：２、４８：３、４８：４、８１：１、８１：２、８１：３、９７、１２２、１２３、１４６、１４９、１６８、１７７、１７８、１７９、１８０、１８４、１８５、１８７、１９２、２００、２０２、２０８、２１０、２１５、２１６、２１７、２２０、２２３、２２４、２２６、２２７、２２８、２４０、２４６、２５４、２５５、２６４、２７２、２７９等の赤色顔料を用いることができる。赤色着色組成物には、黄色顔料、橙色顔料を添加併用することができる。

緑色着色組成物には、例えばＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｇｒｅｅｎ ７、１０、３６、３７等の緑色顔料を用いることができる。緑色着色組成物には赤色着色組成物と同様の黄色顔料を添加併用することができる。

青色着色組成物には、例えばＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｂｌｕｅ １５、１５：１、１５：２、１５：３、１５：４、１５：６、１６、２２、６０、６４、８０等の青色顔料、好ましくはＣ．Ｉ． Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｂｌｕｅ １５：６を用いることができる。また、青色着色組成物には、Ｃ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｖｉｏｌｅｔ １、１９、２３、２７、２９、３０、３２、３７、４０、４２、５０等の紫色顔料、好ましくはＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｖｉｏｌｅｔ ２３を添加併用することができる。

顔料の分散樹脂およびフォトリソグラフィの光反応樹脂としては、ウレタン樹脂やアクリル樹脂およびそれらのモノマーなどが挙げられる。透明性や耐久性の面からアクリル樹脂系の材料が好ましい。

カラーフィルタ３の形成前に、基板６上に平坦層としてオーバーコート層を設けてもよい。オーバーコート層の材料としては、密着性の点からカラーフィルタ３に用いられる樹脂と合わせるとよい。

（マイクロレンズ）
カラーフィルタ３を形成した後、カラーフィルタ３の各画素に対し凹型マイクロレンズ２を形成する。凹型マイクロレンズ２は、穴埋め乾燥法やフォトリソグラフィなどによっ
て形成することが出来る。

例えば、穴埋め乾燥法では、画素単位で隔壁を形成し、マイクロレンズ形成用樹脂分散液を塗布乾燥すると、隔壁との接触部と非接触部では表面張力により乾燥後形状が異なり、隔壁との接触面に近い部位では樹脂分散液が隔壁に這い上がって高くなり、隔壁から離れるに従って低くなることを利用して、凹型マクロレンズを形成することができる。また、ポジ型のマイクロレンズ樹脂分散液を用いて、フォトリソグラフィによりマイクロレンズを形成する方法が挙げられる。しかし、この場合には、工程数が多くなり、ポジ型マクロレンズ樹脂自体の反応性の調節のため複数の添加物が必要となるため、樹脂透過率の低下が懸念されるなどのため、一般的にはドライエッチング方式の加工方法が用いられる。

ドライエッチング方式の加工方法としては、例えば、カラーフィルタ３上に均一にマイクロレンズ形成用樹脂層を形成し、さらに光開裂反応を調節したポジ型のフォトレジスト層をその上に形成する。次に、露光および現像により、フォトレジスト層を複数の凹型マイクロレンズ形状に加工した後、酸素を用いたプラズマエッチングにより、ポジ型のフォトレジスト層のマイクロレンズ形状を、マイクロレンズ樹脂層に転写することでマイクロレンズ層を形成することができる。

また、プラズマエッチングに用いられる酸素にアルゴンガスを配合することにより得られるイオンアシスト効果でマイクロレンズ樹脂層に対しエッチングに指向性を付与することで、加工を容易にすることが出来る。

マイクロレンズ層に用いられる材料としては、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ＰＶＡ樹脂、エポキシ樹脂などが挙げられる。

マイクロレンズ層の屈折率は、流動体７の屈折率よりも小さく、５％以上３０％以下の差があることが好ましい。これはマイクロレンズ層の屈折率が流動体の屈折率よりも大きいと、凹型のマクロレンズでは入射光が光電変換素子５に対し収束しない。また、マイクロレンズ層の屈折率と流動体の屈折率の差が５％未満であると、凹型マイクロレンズによる十分な集光率を得ることが出来ない。また、その差が３０％より大きいと、流動体とマイクロレンズ層との界面反射率が大きくなり、必要となる入射光を得ることが出来ない。

なお、凹型マイクロレンズ２を形成前に、カラーフィルタ３上に平坦層としてオーバーコート層を設けてもよい。オーバーコート層の材料としては、密着性の点から前記マイクロレンズ層に用いられる樹脂と合わせるとよい。

（隔壁）
次に、シール材を用いて、カラーフィルタ３と凹型マイクロレンズ２を囲むように隔壁４を設ける。隔壁４はディスペンサやインクジェットにより塗布することが出来る。

隔壁４による光の反射光は、ノイズの要因となるため、隔壁４は黒色であることが適当であり、また、流動体７の熱膨張を考慮し、伸縮性がある材料が好ましく、またカバーガラス１は隔壁４を接着材として、接着される。

（流動体）
流動体７は、カバーガラス１と凹型マイクロレンズ２が最上層に形成された基板６と隔壁４によって形成された閉鎖空間に充填される。充填方法としては、充填後にカバーガラス１を貼り合わせる前充填法、またはカバーガラス１を貼り合わせ後に流動体を注入する後充填法がある。ただし、前充填法ではカバーガラス１上に流動体７が存在しやすく、シール材４との密着力が低下するため、後充填法が好ましい。

流動体７の材料としては、透明性および絶縁性からパーフルオロカーボンやシリコンオイルなどが挙げられ、屈折率を調整するため複数の成分を配合することが出来る。屈折率は凹型マイクロレンズ２の屈折率よりも大きく、さらに１．５より大きく２．０より小さいことが好ましい。

流動体７の屈折率がカバーガラス１の屈折率よりも小さく、屈折率が１．５より小さい場合には、凹型マイクロレンズ２と流動体７の屈折率が近接して、入射光を集光するための屈折角が得られない。また屈折率が２．０より大きい場合には、凹型マイクロレンズ２と流動体７の屈折率が乖離しすぎ、凹型マイクロレンズ２と流動体７の界面反射率が高くなり、結果として入射光の集光効率が低下する。

また、流動体７に紫外線吸収剤を重量割合２０ｗｔ％以内で添加することが出来る。２０ｗｔ％より大きいと流動体７の透過率が低下するためである。

紫外線吸収剤としては、無機系と有機系が挙げられる。但し、分散性と透過性の面から酸化チタン系やニッケル系の無機系よりも有機系が好ましい。有機系としては、ベンゾトリアゾール系、ベンゾフェノン系、サリシレート系、シアノアクリレート系、トリアジン系などが挙げられる。また、ヒンダーアミン系の光安定剤を添加しても良い。

以上に説明したように、本発明の固体撮像素子１０によれば、カバーガラス１と流動体７の屈折率が近いことから、従来の固体撮像素子より入射光の取り込み効率は向上し、また凹型マイクロレンズ２を低屈折率の材料で作製することで、凸型マイクロレンズよりも容易に加工ができ、且つ集光率を向上させることができ、さらに流動体に紫外線吸収剤を添加することでカラーフィルタ３の耐光性を向上することが出来る。

１ …カバーガラス
２ …凹型マイクロレンズ
３ …カラーフィルタ
４ …隔壁
５ …光電変換素子
６ …基板
７ …流動体
８ …凸型マイクロレンズ
１０、１１…固体撮像素子

Claims (8)

1. 基板上にマトリクス状に形成された光電変換素子上に、色分解用のカラーフィルタと集光用のマイクロレンズとがその順に備えられた固体撮像素子において、
   光電変換素子が形成された領域の周囲にはシール材からなる隔壁が形成されており、
   その隔壁の上面には、光電変換素子が形成された領域を覆うようにカバーガラスが接着されており、
   基板と隔壁とカバーガラスによって形成された閉鎖空間には、透明な液体である流動体が充填されており、
   マイクロレンズは、カラーフィルタ側に凹部の底が配置するように形成された凹型マイクロレンズであることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記流動体に紫外線吸収剤が含有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. 前記流動体に含有される紫外線吸収剤が、重量比で０％より大きく２０％以内であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記流動体の屈折率が、前記カバーガラスの屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像素子。
5. 前記流動体の屈折率は１．５より大きく２．０より小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子。
6. 前記マイクロレンズの屈折率が、前記流動体の屈折率より小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像素子。
7. 前記マイクロレンズの屈折率が、前記流動体の屈折率より５％以上３０％以下の差があることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像素子。
8. 光電変換素子がマトリクス状に形成された基板上に、光電変換素子に位置合わせして色分解用のカラーフィルタを形成する工程と、
   カラーフィルタの上に、カラーフィルタに位置合わせしてマイクロレンズを形成する工程と、
   基板上のマイクロレンズが形成された領域を取り囲む様にシール材からなる隔壁を形成する工程と、
   隔壁の上面にカバーガラスを接着して閉鎖空間を形成する工程と、
   閉鎖空間に透明な液体である流動体を充填する工程と、を備えている固体撮像素子の製造方法において、
   マイクロレンズを形成する工程が、カラーフィルタ側に凹部が配置するように形成した凹型マイクロレンズを形成する工程であることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。