JP2018078264A - イメージセンサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各画素の受光感度を向上させ得るイメージセンサおよびその製造方法を提供する。【解決手段】このイメージセンサは、シリコンウエハ４上に、少なくとも、光電変換素子３およびマイクロレンズ１がこの順に積層され、グリーン、ブルーおよびレッドの各画素が形成されており、グリーン画素上のマイクロレンズ１の高さを１００％として、ブルー画素上のマイクロレンズ１の高さが１０５％から１５０％の範囲であり、かつ、レッド画素上のマイクロレンズ１の高さが９５％から７０％の範囲である。【選択図】図１

Description

本発明は、Ｃ−ＭＯＳやＣＣＤ等の光電変換素子に代表されるイメージセンサおよびその製造方法に関する。

昨今、この種のイメージセンサでは、カメラモジュールの小型・薄型化を目的に、ウエハプロセスにて作製できるモジュール構造が提案されている（例えば特許文献１ないし２参照）。
カメラモジュールの場合は、直径２０〜３０ｃｍのシリコンウエハの加工プロセスに、同じく直径２０〜３０ｃｍのガラス板の加工プロセスを組み合わせて、ウエハプロセスにて作製され、位置合わせをして積層された後、最終的にダイシング工程にて個々に断裁されて１個のカメラモジュールとなる。一般に、携帯電話に装備されるカメラであれば、カメラモジュールにおけるシリコンウエハの大きさは０．３ｍｍ角程度である。そのため、直径２０ｃｍの一枚のウエハから、３，５００〜４，３００個程度のカメラモジュールを作製できる。

この種のイメージセンサは、例えば図１６に示すように、シリコンウエハ１０４に、光電変換素子１０３、色分解用カラーフィルタ１０２および集光用マイクロレンズ１０１が積層され、単位となる光電変換素子毎に、グリーン、ブルーおよびレッドの各画素が作り込まれる。この種のイメージセンサにて得られる画像情報の電気信号は、詳細は図示していないが、シリコンウエハ１０４に形成される貫通孔内に充填もしくはその内壁を被覆する導電物質によりシリコンウエハ１０４の裏面に導かれ、パターン化された絶縁層と導電層によって、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）方式による接続端子にて外部回路基板との接続が可能である。

ここで、この種のイメージセンサには、上記のように、レッド、グリーン、ブルーの画素が形成されるところ、各画素によってイメージセンサの感度が異なるという問題がある。感度差は、色分離を行うカラーフィルタの光透過率の差により発生する。また、波長の透過性によっても感度差が発生する。つまり、色の波長ごとに、イメージセンサ内部への透過率が異なるため、例えば、ブルーはイメージセンサ表面付近で吸収されるが、レッドはイメージセンサ内部まで透過するからである。

こうした問題を解決するために、例えば特許文献１ないし２に記載の技術では、マイクロレンズの高さや大きさを変更することで、感度差に対応する検討が行われている。特許文献１記載の技術では、イメージセンサの感度に合わせて、マイクロレンズの高さを変更した構造が提案されている。また、特許文献２記載の技術では、イメージセンサの感度に合わせて、マイクロレンズの高さや座標を変更した構造が提案されている。

特開平９−１４８５４９号公報 特開２０１２−６４９２４号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術では、感度差に対し、どのマイクロレンズをどのような構造に形成すれば感度が改善するのか具体的な指針が示されていない。また、同文献記載の技術では、マイクロレンズの高さごとに製造工程を繰り返すため、コストが上昇し、製造歩留まりが低下するという問題がある。
また、特許文献２記載の技術においても、感度差に対し、どのマイクロレンズをどのような構造に形成すれば感度が改善するのか具体的な指針が示されていない。よって、これら文献記載の技術では、各画素によって異なるイメージセンサの感度を向上させる上で検討の余地がある。

そこで、本発明は、各画素の受光感度を向上させ得るイメージセンサおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るイメージセンサは、シリコンウエハ上に、少なくとも、光電変換素子およびマイクロレンズがこの順に積層され、単位となる光電変換素子毎に、グリーン、ブルーおよびレッドの各画素が形成されており、グリーン画素上のマイクロレンズ高さを１００％として、ブルー画素上のマイクロレンズ高さが１０５％から１５０％の範囲であり、かつ、レッド画素上のマイクロレンズ高さが９５％から７０％の範囲であることを特徴とする。

本発明の一態様に係るイメージセンサによれば、マイクロレンズ高さがレッド、グリーン、ブルーの画素毎にイメージセンサの感度が設定されるので、画素毎にマイクロレンズの集光深さを最適な深さにし、イメージセンサ層内の最適な深さに光を集光させ、各画素の受光感度を向上させることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るイメージセンサの製造方法は、本発明の一態様に係るイメージセンサを製造する方法であって、グレイトーンマスクを用いるフォトリソグラフィ法により、画素ごとにマイクロレンズ高さの異なるマイクロレンズ形状を一括形成することを特徴とする。

ここで、本発明の一態様に係るイメージセンサの製造方法において、シリコンウエハ上に光電変換素子を形成する工程と、前記光電変換素子上に感光性マイクロレンズ材を塗布する工程と、グレイトーンマスクを使用したフォトリソグラフィ法により、前記感光性マイクロレンズ材をパターニングする工程と、を少なくとも含むことは好ましい。

また、本発明の一態様に係るイメージセンサの製造方法において、シリコンウエハ上に光電変換素子を形成する工程と、前記光電変換素子上の全面に透明樹脂層を塗布する工程と、前記透明樹脂層上に感光性犠牲層を塗布する工程と、グレイトーンマスクを使用したフォトリソグラフィ法により、前記感光性犠牲層をパターニングしてレンズ母型を形成する工程と、前記レンズ母型上から当該レンズ母型と前記透明樹脂層をエッチングしてマイクロレンズを形成するエッチング転写工程と、を少なくとも含むことは好ましい。

また、本発明の一態様に係るイメージセンサの製造方法において、第１のグレイトーンマスクを用いて、前記グリーン画素上のマイクロレンズを形成する工程と、第２のグレイトーンマスクを用いて、前記ブルー画素上のマイクロレンズ及び前記レッド画素上のマイクロレンズを形成する工程と、を含み、前記第２のグレイトーンマスクは、前記ブルー画素に対応したパターン中央部の透過率が、前記第１のグレイトーンマスクの前記グリーン画素に対応したパターン中央部の透過率よりも小さく、さらに、前記第２のグレイトーンマスクは、前記レッド画素に対応したパターン中央部の透過率が、前記第１のグレイトーンマスクの前記グリーン画素に対応したパターン中央部の透過率よりも大きいことは好ましい。
また、本発明のいずれか一の態様に係るイメージセンサの製造方法において、フォトリソグラフィ法に紫外ｉ線もしくはＫｒＦレーザーを使用することは好ましい。

本発明の一態様に係るイメージセンサの製造方法によれば、グレイトーンマスクを用いるフォトリソグラフィ法により、画素毎に高さの異なるマイクロレンズを同時に一括形成できる。そのため、本発明の一態様に係るイメージセンサ用として好適なマイクロレンズを製造できる。また、画素毎に高さの異なるマイクロレンズを精度良く形成できる。そのため、本発明の一態様に係るイメージセンサ用として好適なマイクロレンズを製造できる。

上述したように、本発明に係るイメージセンサよれば、各画素の受光感度を向上させることができる。また、本発明に係るイメージセンサの製造方法よれば、各画素の受光感度を向上させ得るマイクロレンズ形状を形成できるので、本発明に係るイメージセンサを製造する方法として優れている。

本発明の一態様に係るイメージセンサの一実施形態の構造を説明する模式的断面図である。 図１のイメージセンサにおける、レッド、グリーン、ブルーの各画素配置を説明する模式的な部分平面図である。 一般的なイメージセンサにおける、レッド、グリーン、ブルーの各画素の受光感度を説明する受光感度カーブの一例を示すグラフである。 本発明に係るフォトリソグラフィ法に用いるグレイトーンマスクの一実施形態を説明する図である。 一般的なイメージセンサにおける、レッド、グリーン、ブルーの受光深さを説明する、イメージセンサの模式的断面図である。 図１のイメージセンサの、レッド、グリーンの各画素上に配置されるマイクロレンズを説明する模式的な部分断面図（図２でのＸ−Ｘ断面図）である。 図１のイメージセンサの、グリーン、ブルーの各画素上に配置されるマイクロレンズを説明する模式的な部分断面図（図２でのＹ−Ｙ断面図）である。 本発明の一態様に係るイメージセンサの製造方法の一実施形態（実施例１）を説明する模式的な部分断面図（（ａ）〜（ｄ））である。 本発明の一態様に係るイメージセンサの製造方法の一実施形態（実施例１）を説明する模式的な部分断面図（（ａ）〜（ｅ））である。 本発明の一態様に係るイメージセンサの製造方法の一実施形態（実施例２）を説明する模式的な部分断面図（（ａ）〜（ｄ））である。 本発明の一態様に係るイメージセンサの製造方法の一実施形態（実施例２）を説明する模式的な部分断面図（（ａ）〜（ｅ））である。 本実施形態に係るイメージセンサの製造方法により作成されたマイクロレンズのＡＦＭ観察像の一例である。 本実施形態に係るイメージセンサの製造方法により作成されたマイクロレンズのマイクロレンズ高さと受光感度を対比する表１の内容をグラフ化した図（（ａ）、（ｂ））である。 第二の実施形態に係る第１のグレイトーンマスクおよび第２のグレイトーンマスクを説明する図である。 第二の実施形態に係るマイクロレンズの製造方法を説明する図（（１）〜（５））である。 一般的なイメージセンサの構造の一例を説明する模式的断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。

（第一の実施形態）
まず、本発明の第一の実施形態について説明する。
本実施形態のイメージセンサは、図１に示すように、シリコンウエハ４上に、多数の光電変換素子３、色分解フィルタ２およびマイクロレンズ１がこの順に積層され、グリーン、ブルーおよびレッドの各画素は、単位となる光電変換素子毎に形成される。同図の例では、色分解フィルタ２およびその下部の光電変換素子３を示すが、本明細書では、シリコンウエハ４、光電変換素子３、色分解フィルタ２、マイクロレンズ１までをイメージセンサと称する。本実施形態での画素の配列は、図２に示すように、一画素おきにＧ（緑）フィルタ２ｂが設けられ、Ｇフィルタ２ｂの間に一行おきにＲ（赤）フィルタ２ａとＢ（青）フィルタ２ｃが設けられた、いわゆるベイヤー配列とされている。

イメージセンサにて得られる画像情報の電気信号は、電極（図示せず）を経由して貫通孔内に充填もしくは内壁を被覆する導電物質によりシリコンウエハ４の裏面に導かれ、パターン化された絶縁層と導電層によって、ＢＧＡ方式により、外部接続パッド５から接続バンプ６を介して外部回路に接続される。

その他、レンズモジュールの側壁に、フレア防止用で遮光性のある無電解めっき層を施しても良い。その材質は、ニッケル、クロム、コバルト、鉄、銅、金等から選択される金属の単一めっき層のほか、ニッケル−鉄、コバルト−鉄、銅−鉄等の組合せから選択される合金の無電解めっき層があげられる。そのほかに、銅等の金属を無電解めっきし、しかる後に、その表面を化学処理や酸化処理して金属化合物とし、表面の光反射率の低い金属遮光層とすることも可能である。

ここで、本実施形態のイメージセンサは、グリーン画素上のマイクロレンズ１の高さを１００％としたとき、ブルー画素上のマイクロレンズ１の高さが１０５％から１５０％の範囲であり、さらに、レッド画素上のマイクロレンズ１の高さが９５％から７０％の範囲に設定されている。本実施形態のイメージセンサによれば、画素ごとのマイクロレンズ高さを調整することにより、イメージセンサの最適な深さで集光させることができる。これにより、受光感度が向上する。

図３に、一般的なイメージセンサにおける、レッド、グリーン、ブルーの各画素の受光感度カーブの一例を示し、また、図５に、一般的なイメージセンサにおける、イメージセンサ内層へのブルー、グリーン、レッド入射光の透過と受光イメージを示す。
図５に示すように、レッドは、光透過率等の差により、イメージセンサの比較的深い層３ｃまで透過する。そこで、本実施形態のイメージセンサは、これに合わせて、図６に示すように、グリーン画素上のマイクロレンズ１ｂの高さを基準とし、レッド画素のマイクロレンズ１ｃの高さを相対的に相対高さ１ｄだけ低くしており、これにより、集光位置をイメージセンサの層内部３ｃとしている。
ここで、グリーンおよびブルーのマイクロレンズ高さを５８０ｎｍに固定して、レッドのマイクロレンズ高さを５５１ｎｍから３４８ｎｍまで変化させたときの受光感度を、表１の例７から例１１に示す。また、同結果のグラフを図１３（ａ）に示す。

表１、および、図１３（ａ）に示すように、グリーン画素上のマイクロレンズ１ｂの高さを１００％として、レッド画素上のマイクロレンズ１ｃの高さが１００％（５８０ｎｍ）から９５％（５５１ｎｍ）の間では、受光感度への影響が見られなかった（表１の例７）。
一方、図１３（ａ）に示すように、レッド画素上のマイクロレンズ１ｃの高さが７０％（４０６ｎｍ）以下では、レッド画素の受光感度が低下することが確認された（表１の例１１）。このため、レッド画素上のマイクロレンズ１ｃの高さは、グリーン画素上のマイクロレンズ高さを１００％としたとき、７０％から９５％の範囲が望ましいことがわかる（図１３（ａ））。

また、図５に示すように、ブルーは、光透過率等の差により、イメージセンサ表面近傍３ａで受光される。そこで、本実施形態のイメージセンサは、これに合わせて、図７に示すように、グリーン画素上のマイクロレンズ１ｂの高さを基準とし、ブルー画素のマイクロレンズ１ａの高さを相対的に相対高さ１ｅだけ高くして、集光位置をイメージセンサ表面近傍３ａとしている。
ここで、グリーンおよびレッドのマイクロレンズ高さを５８０ｎｍに固定して、ブルーのマイクロレンズ高さを６０９ｎｍから９２８ｎｍまで変化させたときの受光感度を、表１の例２から例６に示す。また、同結果のグラフを図１３（ｂ）に示す。

表１、および、図１３（ｂ）に示すように、グリーン画素上のマイクロレンズ１ｂの高さを１００％として、ブルー画素上のマイクロレンズ１ａの高さが１００％（５８０ｎｍ）から１０５％（６０９ｎｍ）の間では、受光感度への影響が見られなかった（表１の例１と例２）。
一方、図１３（ｂ）に示すように、ブルー画素上のマイクロレンズ１ａの高さが１５０％（９２８ｎｍ）以上では、ブルー画素周辺にあるグリーン画素の受光感度が低下することが確認された（表１の例６）。このため、ブルー画素上のマイクロレンズ１ａの高さは、１０５％から１５０％の範囲が望ましいことがわかる（図１３（ｂ））。

次に、上述した光電変換素子３の上部に形成されるマイクロレンズ１の製造方法について、実施例に基づき詳しく説明する。

［実施例１］
実施例１について、図４、図８および図９を参照しつつ説明する。
実施例１では、マイクロレンズ１を組成する感光性マイクロレンズ材１１（図８（ｂ）参照）は、感光性透明樹脂であり、ポジ方の感光性樹脂を用いた例である。本実施例では、マイクロレンズ１の画素毎に異なるマイクロレンズ高さを露光法で制御する。そのため、図４に示す、グレイトーンマスク５０という特殊な露光用マスクを使用する。

図４に示すグレイトーンマスク５０は、作成したいマイクロレンズ形状のレンズボトムに対して光透過率を高くした、遮光膜に濃淡のグラデュエーション（階調）が付いたマスクである。この階調の濃淡は、露光に用いる光では解像しない小径ドットの単位面積当たりの個数（粗密）差によって達成される。グレイトーンマスク５０は、グリーン、ブルー、レッドの各画素に応じて、マスクの透過光分布を異ならせてある。
同図の例では、符号５０ａが、レッド画素上マイクロレンズのグレイトーンマスク透過光分布を示し、符号５０ｂが、グリーン画素上マイクロレンズのグレイトーンマスク透過光分布を示し、符号５０ｃが、ブルー画素上マイクロレンズのグレイトーンマスク透過光分布を示しており、図中、明るいところは透過光が少なく、暗いところは透過光が多い。

実施例１では、厚さ０．７５ｍｍ、直径２０ｃｍのシリコンウエハ４に、光電変換素子３や遮光膜、パッシベーション膜を形成し、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を形成した。次いで、平坦化膜の上に、色分解フィルタ２を、グリーン、ブルー、レッドの３色にて３回のフォトリソグラフィの手法で、それぞれ形成した（図８（ａ）を参照のこと。但し、光電変換膜と平坦化層は図示せず。）。

グリーンレジストは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン３６、Ｃ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６を用い、さらにシクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤を添加した構成のカラーレジストを用いた。
ブルーレジストは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６、Ｃ．Ｉ．ピグメントバイオレット２３を用い、さらにシクロヘキサノン、ＰＧＭＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤を添加した構成のカラーレジストを用いた。
レッドレジストの色材は、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１１７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９とした。色材以外の組成は、グリーンレジストと同様とした。
着色画素の配列は、一画素おきにＧ（緑）フィルタが設けられ、Ｇフィルタの間に一行おきにＲ（赤）フィルタとＢ（青）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、図８（ｂ）に示すように、各色カラーフィルタ２上に、１μｍの膜厚のアルカリ可溶性・感光性・熱リフロー性を有するスチレン樹脂を塗布して感光性マイクロレンズ材１１を形成した。その後、同図（ｃ）に示すように、感光性マイクロレンズ材１１を、グレイトーンマスク５０を使用する紫外ｉ線によるフォトリソグラフィのプロセスによりパターン化し、その後に、２５０℃で熱処理し、同図（ｄ）に示すように、マイクロレンズ１１ａを形成した。
マイクロレンズ１１ａのグリーン画素は、高さ約０．６２μｍのスムースな半放物形状であり、レッド画素は高さ０．５３μｍ、ブルー画素は高さ０．７４μｍのスムースな半放物形状であった。このようにしてシリコンウエハ４上に多面付けされたイメージセンサが完成した（図８（ｄ））。

次に、上記のシリコンウエハ４の裏面にフォトレジストを塗布し、定法のフォトリソグラフィ法により貫通孔が形成されるべき部位に開口部を形成し、次いで、フォトレジスト膜をマスクとして反応性イオンエッチングを行い、シリコンウエハ４を所定の深さまでエッチングして貫通孔を形成した。次に、シリコンウエハ４と後に形成する配線層とを絶縁するために、ＣＶＤ法により貫通孔の内壁、底部及び裏面全体にＳｉＯ_２絶縁膜を形成した。

ここで、絶縁膜は、その膜厚が貫通孔の底部（アルミニウムなど導電性の高い金属からなるパッドである）上の方がシリコンウエハ４の裏面上より薄くなるように形成した。こうした上で、反応性イオンエッチングを再度行い貫通孔底部の絶縁膜を除去した。引き続き、スパッタ法により、導電膜を形成し、貫通孔の埋設及びウエハ裏面の配線層を形成した。

次に、定法のフォトリソグラフィ法により、配線層の一部で外部と接続させる部分を露出させた。当該露出部位に、スクリーン印刷によりはんだペーストを塗布し、はんだボールを搭載した。リフロー処理を施し、残留フラックスを除去すると、外部接続パッド５および接続バンプ６を有するイメージセンサ基板が得られた（図９（ｂ））。

最後に、４５０メッシユのレジンブレードを用いたダイシング装置により、マトリックス状に多面付けされたイメージセンサの中間部を断裁線として、表面より断裁溝を入れた（図９（ｃ））。その後に、同図（ｄ）に示すように個々のイメージセンサに分離し、図９（ｅ）の状態とした完成品を得た。

各画素の受光感度を測定した結果、レッドの受光感度は６４．２％、グリーンの受光感度は６０．０％、ブルーの受光感度は４３．９％となり（表１の実施例１）、全画素同一レンズ高さの標準例（表１の例１）に対して改善が確認された。なお、必要に応じてブリーチングなどの工程を実施して、マイクロレンズの形状と光透過性を制御することもできる。

実施例１によって得られたマイクロレンズの、ＡＦＭ観察形状を図１２に示す。従来のマイクロレンズの製造方法では、画素毎のマイクロレンズは同一形状であったが、本実施例１では、画素毎に高さの異なるマイクロレンズが同一ピッチで形成されている。

［実施例２］
実施例２について、図１０および図１１を参照しつつ説明する。
実施例２では、厚さ０．７５ｍｍ、直径２０ｃｍのシリコンウエハ４に、光電変換素子３や遮光膜、パッシベーション膜を形成し、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を形成した。次いで、平坦化膜の上に、色分解フィルタ２を、グリーン、ブルー、レッドの３色にて３回のフォトリソグラフィの手法で、それぞれ形成した（図１０（ａ）を参照のこと。但し、光電変換膜と平坦化層は図示せず。）。

グリーンレジストは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン３６、Ｃ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６を用い、さらにシクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤を添加した構成のカラーレジストを用いた。
ブルーレジストは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６、Ｃ．Ｉ．ピグメントバイオレット２３を用い、さらにシクロヘキサノン、ＰＧＭＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤を添加した構成のカラーレジストを用いた。
レッドレジストの色材は、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１１７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９とした。色材以外の組成は、グリーンレジストと同様とした。
着色画素の配列は、一画素おきにＧ（緑）フィルタが設けられ、Ｇフィルタの間に一行おきにＲ（赤）フィルタとＢ（青）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、図１０（ｂ）に示すように、各色カラーフィルタ２上に、ベンゼン環を樹脂骨格に導入したアクリル樹脂の塗布液を塗布して、１μｍの膜厚の透明樹脂層１２を形成し、１８０℃で３分間加熱して硬膜化処理を行った。

更に、アルカリ可溶性・感光性・熱リフロー性を有するスチレン樹脂を塗布して感光性犠牲層１３を形成した（同図（ｃ））。その後、同図（ｃ）に示すように、感光性犠牲層１３を、上記グレイトーンマスク５０を使用し、ＫｒＦレーザーによるフォトリソグラフィのプロセスによりパターン化した。グレイトーンマスク５０は、作成したいマイクロレンズ形状のレンズボトムに対して光透過率を高くした、遮光膜に濃淡のグラデュエーション（階調）が付いたマスクである。この階調の濃淡は、露光に用いる光では解像しない小径ドットの単位面積当たりの個数（粗密）差によって達成される。
その後に、２５０℃で熱処理して、片側０．１μｍのほぼ適正なフロー量で、レンズ母型１３ａを形成した（図１０（ｄ））。レンズ母型１３ａは、厚さ約０．７μｍのスムースな半放物形状であり、隣り合うレンズ母型１３ａ間の凹レンズ曲率直径は０．２μｍであった。

次に、同図（ｄ）に示すように、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ドライエッチングを施し、レンズ母型１３ａのパターンをアクリル樹脂からなる透明樹脂層１２に転写して、図１１（ａ）に示すように、マイクロレンズ１２ａを形成した。ドライエッチング時間は５分とした。マイクロレンズ１２ａのグリーン画素は、高さ約０．５８μｍのスムースな半放物形状であり、レッド画素は高さ０．４９μｍ、ブルー画素は高さ０．７０μｍのスムースな半放物形状であった。このようにしてシリコンウエハ４上に多面付けされたイメージセンサが完成した（図１１（ａ））。

次に、上記シリコンウエハ４の裏面にフォトレジストを塗布し、定法のフォトリソグラフィ法により貫通孔が形成されるべき部位に開口部を形成した。次いで、フォトレジスト膜をマスクとして反応性イオンエッチングを行い、シリコンウエハ４を所定の深さまでエッチングして貫通孔を形成した。次に、シリコンウエハ４と後に形成する配線層とを絶縁するために、ＣＶＤ法により貫通孔の内壁、底部及び裏面全体にＳｉＯ_２絶縁膜を形成した。
ここで、絶縁膜は、その膜厚が貫通孔の底部（アルミニウムなど導電性の高い金属からなるパッドである）上の方がシリコンウエハ４の裏面上より薄くなるように形成した。こうした上で、反応性イオンエッチングを再度行い貫通孔底部の絶縁膜を除去した。引き続き、スパッタ法により導電膜を形成し、貫通孔の埋設及びウエハ裏面の配線層を形成した。

次に、定法のフォトリソグラフィ法により、配線層の一部で外部と接続させる部分を露出させた。当該露出部位に、スクリーン印刷によりはんだペーストを塗布し、はんだボールを搭載した。リフロー処理を施し、残留フラックスを除去すると、外部接続パッド５および接続バンプ６を有するイメージセンサ基板が得られた（図１１（ｂ））。

最後に、４５０メッシュのレジンブレードを用いたダイシング装置により、マトリックス状に多面付けされたイメージセンサの中間部を断裁線として、表面より断裁溝を入れた（図１１（ｃ））。その後に、同図（ｄ）に示すように個々のイメージセンサに分離し、図１１（ｅ）の状態とした完成品を得た。

各画素の受光感度を測定した結果、レッドの受光感度は６５．１％、グリーンの受光感度は５５．９％、ブルーの受光感度は４３．８％となり（表１の実施例２）、全画素同一レンズ高さの標準例（表１の例１）に対して改善が確認された。なお、必要に応じて熱フローやブリーチングなどの工程を実施して、マイクロレンズの形状と光透過性を制御することもできる。

また、本実施例のグレイトーンマスク５０を使用したフォトリソグラフィ法において、ＫｒＦレーザーを用いると、ＫｒＦレーザーの波長限界分解能により、マイクロレンズの曲面形状を、曲率直径１２０ｎｍから２４８ｎｍに制御する事が可能となる。

以上説明したように、本実施形態のイメージセンサによれば、画素ごとのマイクロレンズ高さを調整することにより、イメージセンサの最適な深さで集光させることができる。これにより、受光感度が向上する。
また、本実施形態のイメージセンサの製造方法によれば、グレイトーンマスクを使用したフォトリソ工程で、画素毎に高さの異なるマイクロレンズ形状を簡便に一括形成できる。そのため、従来の複数回のエッチング工法や、複数回のレジストパターニング工法に対し、製造コストを削減できる。

また、本実施形態のイメージセンサの製造方法において、フォトリソグラフィ法に紫外ｉ線を使用することにより、マイクロレンズの曲面形状を曲率直径１８０ｎｍから３６５ｎｍに制御する事が可能となり、画素サイズ１１００ｎｍ程度のマイクロレンズの集光効率向上に効果的である。また、ＫｒＦレーザーを使用することにより、マイクロレンズの曲面形状を曲率直径１２０ｎｍから２４８ｎｍに制御する事が可能となり、画素サイズ１０００ｎｍ以下のマイクロレンズの集光効率向上に効果的である。

（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。
第二の実施形態では、高さの異なるマイクロレンズ１の製造方法について、上述した第一の実施形態での製造方法との相違点を中心に説明し、マイクロレンズ１と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。

第二の実施形態では、高さの異なるマイクロレンズ１を形成するために２種類のマスクを使い、２段階の工程を経て製造するものである。具体的には、第１のグレイトーンマスクを用いて、グリーン画素用のマイクロレンズを形成し、第２のグレイトーンマスクを用いて、ブルー画素用及びレッド画素用のマイクロレンズを形成するものである。この製造方法により、隣接するマイクロレンズの境界部分における解像性を高めることができる。その結果、隣接するマイクロレンズの境界部分における形状を、より設計形状に近づけることができ、入射光の集光特性の劣化を抑制することが可能となる。

以下、第二の実施形態の詳細について説明する。
第二の実施形態では、図１４に示すように、第１のグレイトーンマスク２０と、第２のグレイトーンマスク３０とを用いる。第１のグレイトーンマスク２０は、同図の符号Ａに示すように、グリーン画素に対応した濃度階調パターン２１が市松模様状に形成されており、それ以外の部分は、パターンが形成されていない透過面からなるフォトマスクである。
また、第２のグレイトーンマスク３０は、同図の符号Ｂに示すように、ブルー画素に対応した濃度階調パターン３１と、レッド画素に対応した濃度階調パターン３２とが市松模様状に形成されており、それ以外の部分は、パターンが形成されていない透過面からなるフォトマスクである。

第１のグレイトーンマスク２０および第２のグレイトーンマスク３０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上に、金属クロム等の遮光性膜による遮光部パターンが光透過部と区別して形成された構成からなる。濃度階調パターン２１、３１、３２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方法や、ドット（網点）配列やライン・アンド・スペース（線／空隙が繰り返されているパターン）のような遮光膜の微細パターン配置を変化させて、各パターン領域の平均的な遮光濃度を傾斜させるグレイトーンタイプの手法などで形成される。つまり、図１４に示されている各色に対応した濃度階調パターン２１、３１、３２は、それぞれ図４の５０ｂ、５０ｃ、５０ａに対応している。

図１５は、カラーフィルタ２のパターン形成後に行われる、マイクロレンズ１の製造方法を説明する図（（１）〜（５））である。なお、図１５の符号Ａに示す各図は、それぞれ図２のＹ−Ｙ'断面に対応し、図１５の符号Ｂに示す各図は、それぞれ図２のＸ−Ｘ'断面に対応する図である。

まず、図１５（１）に示すカラーフィルタ２上に、ポジ型のフォトレジストであるマイクロレンズ材料を塗布し、熱処理を行う。これにより、同図（２）に示すように、カラーフィルタ２上に、第１のフォトレジスト層４０が形成される。その後、ステッパを用いて、第１のグレイトーンマスク２０をフォトマスクとして、露光を行う。露光後、現像液による現像を行い、加熱硬化処理することで、同図（３）に示すように、グリーン画素のカラーフィルタ２ｂ上にグリーン画素のマイクロレンズ１ｂが形成される（第一形成工程）。

次に、カラーフィルタ２上、および、グリーン画素のマイクロレンズ１ｂ上に、マイクロレンズ材料を塗布し、熱処理を行う。これにより、同図（４）に示すように、カラーフィルタ２、およびグリーン画素のマイクロレンズ１ｂ上に、第２のフォトレジスト層４１が形成される。その後、ステッパを用いて、第２のグレイトーンマスク３０をフォトマスクとして、露光を行う。
露光後、現像液による現像を行い、加熱硬化処理することで、同図（５）に示すように、ブルー画素のカラーフィルタ２ｃ上にブルー画素のマイクロレンズ１ａ、レッド画素のカラーフィルタ２ａ上にレッド画素のマイクロレンズ１ｃがそれぞれ形成される（第二形成工程）。

ここで、ポジ型のフォトレジスト材料を用いる場合、露光時にフォトレジスト層４０、４１に入射する光量が多いほど、深くまで感光されるため、現像後の残膜が薄くなる。このため、フォトマスクにおいて光の透過率が大きいほど残膜が薄くなる。よって、前述した透過率分布からなる濃度階調パターン２１、３１、３２を有するグレイトーンマスク２０、３０をフォトリソグラフィ工程で用いることで、ブルー画素のマイクロレンズ１ａの高さは、グリーン画素のマイクロレンズ１ｂの高さよりも高くなり、レッド画素のマイクロレンズ１ｃの高さは、グリーン画素のマイクロレンズ１ｂの高さよりも低く形成することができる。

［実施例３］
次に、第二の実施形態に対応する実施例３について説明する。
実施例３では、シリコン材料からなる厚さ０．７５ｍｍの半導体基板１４に、光電変換素子１５や遮光膜、パッシベーション膜を形成し、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膜を形成した。
次いで、平坦化膜の上に、グリーン画素のカラーフィルタ２ｂ、ブルー画素のカラーフィルタ２ｃ、レッド画素のカラーフィルタ２ａ、をそれぞれフォトリソグラフィ法により形成した。これらの工程により、図１におけるマイクロレンズ１より下の構成が作製された（遮光膜、パッシベーション膜、平坦化膜は図示せず）。

グリーン画素のカラーフィルタ２ｂ、ブルー画素のカラーフィルタ２ｃ、レッド画素のカラーフィルタ２ａにおいて、実施例１と同様の材料を用いて、フォトレジストを作成した。また、着色画素の配列は、図２に示す例同様に、いわゆるベイヤー配列とした。
次に、カラーフィルタ２上に、アルカリ可溶性・感光性・熱リフロー性を有するスチレン樹脂を塗布して形成した感光性マイクロレンズ材１１に対して加熱処理を行い、第１のフォトレジスト層４０を形成した。ここで、第１のフォトレジスト層４０の膜厚は、約０．８０μｍであった。

その後、第１のグレイトーンマスク２０を用いて、紫外ｉ線によるフォトリソグラフィのプロセスによりパターン化した。そして、２５０℃で熱処理することでグリーン画素のマイクロレンズ１ｂを形成した。なお、第１のグレイトーンマスク２０において、グリーン画素に対応した濃度階調パターン２１は、複数の微細な遮光膜部分が網点状に配列されたグレイトーンタイプの構成を使用している。
次に、第１のフォトレジスト層４０と同一の感光性マイクロレンズ材１１をカラーフィルタ２上に塗布し、加熱処理を行うことで第２のフォトレジスト層４１を形成した。第２のフォトレジスト層４１の膜厚は、約０．８０μｍであった。

その後、第２のグレイトーンマスク３０を用いて、紫外ｉ線によるフォトリソグラフィのプロセスによりパターン化した。そして、２５０℃で熱処理することでブルー画素のマイクロレンズ１ａおよびレッド画素のマイクロレンズ１ｃを形成した。なお、第２のグレイトーンマスク３０において、ブルー画素に対応した濃度階調パターン３１およびレッド画素に対応した濃度階調パターン３２は、複数の微細な遮光膜部分が網点状に配列されたグレイトーンタイプの構成を使用している。

グリーン画素のマイクロレンズ１ｂは高さ０．６０μｍのスムースな半放物形状であり、ブルー画素のマイクロレンズ１ａの高さは０．６９μｍ、レッド画素のマイクロレンズ１ｃの高さは０．５２μｍのスムースな半放物形状であった。このようにしてシリコンウエハ４上に多面付けされたイメージセンサ１０を形成した。

各画素の受光感度を測定した結果、レッド画素の受光感度は６５．５％、グリーン画素の受光感度は５６．２％、ブルー画素の受光感度は４４．６％となり、全画素同一レンズ高さの標準例（表１の例１）に対して改善が確認された。なお、必要に応じてブリーチングなどの工程を実施して、マイクロレンズの形状と光透過性を制御することもできる。

１ マイクロレンズ
１ａ ブルー画素のマイクロレンズ
１ｂ グリーン画素のマイクロレンズ
１ｃ レッド画素のマイクロレンズ
１ｄ グリーン画素とレッド画素の高さの差
１ｅ ブルー画素とグリーン画素の高さの差
２ 色分解フィルタ（カラーフィルタ）
２ａ レッド画素の色分解フィルタ
２ｂ グリーン画素の色分解フィルタ
２ｃ ブルー画素の色分解フィルタ
３ 光電変換素子
３ａ ブルーの透過光到達域
３ｂ グリーンの透過光到達域
３ｃ レッドの透過光到達域
４ シリコンウエハ
５ 外部接続パッド（電極パット）
６ 接続バンプ（はんだバンプ）
１１ 感光性マイクロレンズ材
１１ａ マイクロレンズ
１２ 透明樹脂層
１２ａ マイクロレンズ
１３ 感光性犠牲層
１３ａ レンズ母型
２０ 第１のグレイトーンマスク
２１ グリーン画素に対応した濃度階調パターン
３０ 第２のグレイトーンマスク
３１ ブルー画素に対応した濃度階調パターン
３２ レッド画素に対応した濃度階調パターン
４０ 第１のフォトレジスト層
４１ 第２のフォトレジスト層
５０ グレイトーンマスク

Claims (6)

1. シリコンウエハ上に、少なくとも、光電変換素子およびマイクロレンズがこの順に積層され、単位となる光電変換素子毎に、グリーン、ブルーおよびレッドの各画素が形成されており、
   グリーン画素上のマイクロレンズ高さを１００％として、ブルー画素上のマイクロレンズ高さが１０５％から１５０％の範囲であり、かつ、レッド画素上のマイクロレンズ高さが９５％から７０％の範囲であることを特徴とするイメージセンサ。
2. 請求項１に記載のイメージセンサを製造する方法であって、
   グレイトーンマスクを用いるフォトリソグラフィ法により、画素ごとにマイクロレンズ高さの異なるマイクロレンズ形状を一括形成することを特徴とするイメージセンサの製造方法。
3. シリコンウエハ上に光電変換素子を形成する工程と、
   前記光電変換素子上に感光性マイクロレンズ材を塗布する工程と、
   グレイトーンマスクを使用したフォトリソグラフィ法により、前記感光性マイクロレンズ材をパターニングする工程と、
   を少なくとも含む請求項２に記載のイメージセンサの製造方法。
4. シリコンウエハ上に光電変換素子を形成する工程と、
   前記光電変換素子上の全面に透明樹脂層を塗布する工程と、
   前記透明樹脂層上に感光性犠牲層を塗布する工程と、
   グレイトーンマスクを使用したフォトリソグラフィ法により、前記感光性犠牲層をパターニングしてレンズ母型を形成する工程と、
   前記レンズ母型上から当該レンズ母型と前記透明樹脂層をエッチングしてマイクロレンズを形成するエッチング転写工程と、
   を少なくとも含む請求項２に記載のイメージセンサの製造方法。
5. 請求項１に記載のイメージセンサを製造する方法であって、
   第１のグレイトーンマスクを用いて、前記グリーン画素上のマイクロレンズを形成する工程と、
   第２のグレイトーンマスクを用いて、前記ブルー画素上のマイクロレンズ及び前記レッド画素上のマイクロレンズを形成する工程と、を含み、
   前記第２のグレイトーンマスクは、前記ブルー画素に対応したパターン中央部の透過率が、前記第１のグレイトーンマスクの前記グリーン画素に対応したパターン中央部の透過率よりも小さく、
   さらに、前記第２のグレイトーンマスクは、前記レッド画素に対応したパターン中央部の透過率が、前記第１のグレイトーンマスクの前記グリーン画素に対応したパターン中央部の透過率よりも大きいことを特徴とするイメージセンサの製造方法。
6. フォトリソグラフィ法に紫外ｉ線もしくはＫｒＦレーザーを使用する請求項２から５のいずれか一項に記載のイメージセンサの製造方法。

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