JP2018166154A - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、混色を防止する機能を高めた固体撮像素子の製造方法および固体撮像素子を提供することを課題とする。【解決手段】固体撮像素子２の各画素に対応して、光電変換素子８と、ブラックマトリクス４と、平坦化層１１と、カラーフィルタ層３と、マイクロレンズ層５と、を備えた固体撮像素子において、個々の光電変換素子に隣接する画素からの光が遮蔽されるように、隣接する光電変換素子との間に樹脂ブラックからなるブラックマトリクスを備えてなることを特徴とする固体撮像素子。【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子とその製造方法に関する。更に詳しくは、固体撮像装置における混色の発生を抑制することが可能な固体撮像素子用のオンチップカラーフィルタの構成に関する。

近年、携帯電話やスマートフォンなどの携帯情報端末の普及が著しく進展している。これらの携帯情報端末には、デジタルカメラ機能が備えられている。デジタルカメラ機能の主要デバイスとして固体撮像素子が使用されている。

固体撮像素子の画素数は増加の一途を辿っており、画素やブラックマトリクスなどのパターンの微細化が進んでいる。

固体撮像素子においては、固体撮像素子のウェハ加工が完了したシリコンウェハの上にブラックマトリクスなどのマトリクス状の遮光膜パターンやＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）のカラーフィルタを形成し、更に、その上に集光用のマイクロレンズアレイが形成されている（例えば特許文献１参照）。

また、固体撮像素子の色分解フィルタの配列方式はベイヤー配列が主流となっている。この方式は、１つの画素につきＲ、Ｇ、Ｂのいずれかのカラーフィルタを配置することで色分離を行うカラーフィルタの配列方式である。

ベイヤー配列の問題点は、１つの画素につき、Ｒ、Ｇ、Ｂのうち、１色しか取り込めないことと、隣接する色との分離が難しいことである。これらから、光量ロスや混色の問題が発生し、解像性や色再現性の悪化に繋がっている。

それらの問題点を解決するため、ウェハ側で様々な工夫がなされている。これらの問題点のうち混色の問題を解決するため、光電変換素子であるＰＤ（フォトダイオード）間に色分離層や隔壁構造を形成することが行われている。しかし、これらのウェハ側の工夫が固体撮像素子のコストアップの要因となっている。

上述した混色の問題に対するカラーフィルタ側の工夫としては、例えば、特許文献１に、光学混色の低減及びＭｇフレア（混色により発生するマゼンタ色の画像欠陥）の低減により、画質の向上を図るため、光電変換部と画素トランジスタからなる複数の画素が配列された画素領域と、オンチップカラーフィルタと、オンチップマイクロレンズと、層間絶縁膜を介して複数層の配線が形成された多層配線層と、前記光電変換部が配列された受光面の画素境界に絶縁層を介して形成された遮光膜とを有する固体撮像装置が開示されている。

この固体撮像装置は、光電変換部と画素トランジスタからなる複数の画素が形成された半導体基板の受光面となる裏面上に、反射防止膜を形成する工程と、前記反射防止膜上の画素境界に対応する部分に選択的に遮光膜を形成する工程と、前記遮光膜を含む前記反射防止膜上に平坦化膜を形成する工程と、前記平坦化膜上にオンチップカラーフィルタ及びオンチップマイクロレンズを順次形成する工程とを備えた製造方法により製造される。

この製造方法において、形成される遮光膜は、遮光性が強く、エッチングで精度良く加工できるアルミニウム、タングステン、銅などの金属薄膜から作製するとされており、遮
光膜としての厚さは、０．１μｍオーダーであると想定される。

このような固体撮像素子の構成においては、光電変換部が配列された受光面が平坦である場合には混色を防ぐことができる。しかしながら図２に例示したように、一般にウェハ加工済のウェハ１（図２（ａ）参照）上に平坦化層６´を塗布すると、個々の固体撮像素子２´であるチップ内においては、その周辺部で平坦化層が厚くなる傾向があり、中央部が凹んだ状態となる（図２（ｂ）、（ｃ）参照）。

その様にチップの受光面の全面が平坦ではなく、チップの周辺部に近くなるに連れて平坦化層６´が厚くなるため面の傾きが大きくなる。その様な傾きを持った面上にカラーフィルタ層３とマイクロレンズ層５が形成されるため、この技術を用いても混色が発生する虞がある。そのため、更に混色を防止する機能を高めた固体撮像素子が待望されていた。

特開２０１０−１８６８１８号公報

上記の事情に鑑み、本発明は、混色を防止する機能を高めた固体撮像素子の製造方法および固体撮像素子を提供することを課題とする。

上記の課題を解決する手段として、請求項１に記載の発明は、固体撮像素子の各画素に対応して、光電変換素子と、ブラックマトリクスと、平坦化層と、カラーフィルタ層と、マイクロレンズ層と、をこの順に備えた固体撮像素子において、
個々の光電変換素子に隣接する画素からの光が遮蔽されるように、隣接する光電変換素子との間に樹脂ブラックからなるブラックマトリクスを備えてなることを特徴とする固体撮像素子である。

また、本発明の請求項２に記載の発明は、固体撮像素子のチップを多面付けして形成したシリコンウェハ上に、ブラックマトリクス形成工程と、平坦化層形成工程と、カラーフィルタ層形成工程と、マイクロレンズ層形成工程と、をこの順に備えた固体撮像素子の製造方法において、
ブラックマトリクス形成工程が、黒色感光性レジストを使用したフォトリソ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用およびその製造方法によれば、ウェハ加工済のウェハの上に、まずフォトブラック（感光性黒色レジスト）を用いてブラックマトリクスを形成した後、平坦化層を形成し、次いでカラーフィルタ層を形成する。そのため、ブラックマトリクスが形成される高さ方向の位置が均一になり、且つその厚さを、金属薄膜を使用したブラックマトリクス（遮光膜）より厚くすることができ、且つ平坦化層のチップ端部における盛り上がりが低減するため、平坦化層の厚さの均一性が向上するため、斜め方向から入射する光に対して遮光する機能が高くなり、混色を防止する機能を高くした固体撮像素子を提供することが可能となる。

本発明の固体撮像素子の断面構造を例示する概略断面図である。 従来の固体撮像素子の形態を例示する説明図であって、（ａ）はシリコンウェハのウェハ加工後にオンチップカラーフィルタが形成された状態の上面図、（ｂ）は１つの固体撮像素子の断面図であり、平坦化層の上にブラックマトリクスとカラーフィルタ層が形成された状態、（ｃ）は平坦化層の上にブラックマトリクスのみが形成された状態、を例示している（いずれもマイクロレンズ層は図示せず）。

図１を用いて、本発明の固体撮像素子およびその製造方法について説明する。
＜固体撮像素子＞
本発明の固体撮像素子２は、固体撮像素子の各画素に対応して、光電変換素子７と、ブラックマトリクス４と、平坦化層６と、カラーフィルタ層３と、マイクロレンズ層５と、をこの順に備えた固体撮像素子２である。
個々の光電変換素子７に隣接する画素からの光が遮蔽されるように、隣接する光電変換素子７との間に樹脂ブラックからなるブラックマトリクス４による隔壁を備えている。

ブラックマトリクス４は、固体撮像素子２の表面に平坦化層６を介さずに備えられているため、０．３μｍ〜２．０μｍの均一な厚さのブラックマトリクスとなっている。その様な均一な厚さのブラックマトリクス４が形成された固体撮像素子２が多面付けされた状態のウェハに、平坦化層となる塗液を塗布することにより、ブラックマトリクスが形成されていない状態のウェハに平坦化層となる塗液を塗布する場合と比べ、平坦化層６の膜厚分布が均一になる。このことにより、平坦化層６の表面は傾きが小さい面となる。

また、この隔壁（ブラックマトリクス４）の高さ（厚さ）が、０．３μｍ〜１．０μｍであるため、従来のブラックマトリクスが厚さ０．１μｍ程度の金属薄膜であった場合と比べ、斜め入射による混色が抑制されている。

＜固体撮像素子の製造方法＞
本発明の固体撮像素子２の製造方法は、固体撮像素子のチップを多面付けして形成したシリコンウェハ上に、ブラックマトリクス形成工程と、平坦化層形成工程と、カラーフィルタ層形成工程と、マイクロレンズ層形成工程と、をこの順に備えている。
本発明の固体撮像素子２の製造方法の特徴は、ブラックマトリクス形成工程が、黒色感光性レジストを使用したフォトリソ工程であることである。

（ブラックマトリクス）
ブラックマトリクス４は、光電変換素子７と１対１で対応する各色の画素となる位置の周囲に遮光性の材料で、ウェハ加工済のシリコンウェハ上に直接形成される。あるいは、直接形成する代わりに透明なアクリル樹脂材料を含む塗液を塗布、乾燥、熱処理することによってウェハ表面の凹凸を平坦化しても良い。

ブラックマトリクス４の形成は、黒色材料と感光性樹脂などからなる黒色感光性レジスト（樹脂ブラックとも称す。）を塗布、乾燥後、所望のパターンを備えたフォトマスクを用いて露光し、現像、熱硬化処理、などのフォトリソ工程を実施することにより、ブラックマトリクス４を形成することができる。

ブラックマトリクス４の厚さは、隣接する画素に入射する光を遮光可能な厚さであれば良く、具体的には０．３μｍ以上、１．０μｍ以下が好ましい。０．３μｍ未満では、隣接する画素に入射する光が入射する虞が出てくる。１．０μｍを超えると、露光する光による硬化反応が下地まで届かなくなるため、良好なパターンの形成が困難となると同時に、下地との密着力が不十分となり、剥れが生じるなどの欠陥が発生する可能性が出てくる。

（平坦化層）
平坦化層６に使用する材料は、透明な樹脂材料を含む塗液を、スピンコート法などを使用して塗布できる材料が好ましい。平坦化効果がある、例えば平均分子量５０００〜１００００のアクリル樹脂やフッ素系アクリル樹脂などの塗液がより好ましい。使用可能な樹脂としては、アクリル系樹脂の他、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、スチレン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂およびこれらの共重合体を挙げることができる。低屈折率化のため、シリコン基やフッ素基を導入した材料としても良い。このような樹脂を含有する塗液を塗布後、乾燥、加熱処理などを施すことにより、平坦化層６を形成することができる。

平坦化層６は、黒色感光性樹脂を用いてウェハ加工済のウェハの上に形成された均一な厚さのブラックマトリクス４が形成された面に形成される。ブラックマトリクス４の膜厚の範囲は、０．３μｍ〜２．０μｍである。このようなマトリクス状のブラックマトリクスが個々のチップ上に形成されたチップが多面付けされたウェハ面に、平坦化層６となる塗液が塗布されると、ブラックマトリクスが無い場合とくらべ、均一な膜厚の平坦化層６が得られる。

（カラーフィルタ層）
本発明の固体撮像素子２で使用するカラーフィルタ層３としては、図１に例示した様な緑色カラーフィルタ層３Ｇ、赤色カラーフィルタ層３Ｒ、青色カラーフィルタ層３Ｂとする他に、シアン、イエロー、マゼンタ、ブラックの４色あるいは、透明、イエロー、赤、ブラックとしても良い。

これらのカラーフィルタ層３を形成する手段としては、上述した色特性を発揮することができる着色感光性樹脂を塗布、乾燥後、ブラックマトリクス４を基準パターンとして位置合わせして所望のパターンを備えたフォトマスクを用いて露光、現像するフォトリソ工程を繰り返すことによって、形成することができる。

（マイクロレンズ層）
マイクロレンズ層５に使用する材料は、透明であり、且つ集光のための屈折率差をとることができれば、有機材料、無機材料およびそれらを組み合わせた材料のいずれも使用することができる。ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）やＳｉＮ_ｘ（窒化ケイ素）をＣＶＤ法などの成膜手段を用いて形成し、それをドライエッチングなどの加工手段を用いてマイクロレンズとして形成することができる。低屈折率化のため、シリコン基やフッ素基を導入した材料としても良い。

樹脂材料としては、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、スチレン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂およびこれらの共重合体を挙げることができる。

マイクロレンズ層５を形成する方法としては、まずフォトリソグラフィを用いて形成することができる断面形状がほぼ矩形のパターンを形成し、その後、熱処理によりそのパターンを熱リフローさせることにより、断面形状を半球形にする方式を採用することができる。熱リフロー時に隣接するマイクロレンズ間の隙間（ギャップ）を小さくすることと、断面形状の良い半球状を得ることが同時に求められる。

マイクロレンズ層５の厚さが薄い場合と、逆に厚い場合には、熱リフロー方式では良好なマイクロレンズ層が形成できない場合がある。
例えば、アスペクト比が０．１４以下、厚み２．０μｍ、レンズ径０．３μｍ未満の薄いマイクロレンズ層では、レンズの断面形状が半球形になり難く、台形となりやすい。
逆に、アスペクト比が０．４０以上の場合、熱リフロー時に外形が太り易く、０．３μｍ前後の狭いギャップのマイクロレンズ層を形成するのが困難であり、隣接するマイクロレンズ同士が融着して不良品となり易くなる。
なお、ここでアスペクト比とは、マイクロレンズの高さをマイクロレンズの直径で除した値を指す。

以上に説明したように、本発明の固体撮像素子においては、固体撮像素子を製造する半導体製造工程の前工程が終了したウェハ加工済のウェハ上に、まず黒色感光性樹脂を用いてフォトリソ法によりブラックマトリクス４を形成することで、均一な膜厚分布を備えたブラックマトリクス４を得ることができる。その様にウェハ加工済のウェハ上に、均一な膜厚分布を備えたブラックマトリクス４が形成された表面に、平坦化層６を塗布し形成することにより、ブラックマトリクス４が形成されていないウェハ加工済のウェハ上に平坦化層を塗布し形成する場合と比べ、平坦化層６の厚さ分布を均一にすることができる。

このようにして形成したブラックマトリクス４の厚さは、０．３μｍ〜１．０μｍの厚さを備えることができるため、金属膜を使用してブラックマトリクスを作製した場合の膜厚として想定される０．１μｍより数倍から十倍の厚さを備えているため、隣接する画素からの光の入射を遮蔽する機能が高い。

そのような均一な膜厚分布を備えた平坦化層６の上に、順次、カラーフィルタ層３とマイクロレンズ層５を形成することにより、傾きの小さい平面上にカラーフィルタ層３とマイクロレンズ層５を形成することができるため、混色が生じる虞が小さい。
以上の様なことから本発明の固体撮像素子は、混色の発生を抑制する機能が高い固体撮像素子とすることができる。

１・・・ウェハ加工済のウェハ
２・・・固体撮像素子
３・・・カラーフィルタ層
３Ｇ・・・緑色カラーフィルタ層
３Ｒ・・・赤色カラーフィルタ層
３Ｂ・・・青色カラーフィルタ層
４・・・ブラックマトリクス
５・・・マイクロレンズ層
６・・・平坦化層

Claims (2)

1. 固体撮像素子の各画素に対応して、光電変換素子と、ブラックマトリクスと、平坦化層と、カラーフィルタ層と、マイクロレンズ層と、をこの順に備えた固体撮像素子において、
   個々の光電変換素子に隣接する画素からの光が遮蔽されるように、隣接する光電変換素子との間に樹脂ブラックからなるブラックマトリクスを備えてなることを特徴とする固体撮像素子。
2. 固体撮像素子のチップを多面付けして形成したシリコンウェハ上に、ブラックマトリクス形成工程と、平坦化層形成工程と、カラーフィルタ層形成工程と、マイクロレンズ層形成工程と、をこの順に備えた固体撮像素子の製造方法において、
   ブラックマトリクス形成工程が、黒色感光性レジストを使用したフォトリソ工程であることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。