JP2019004110A - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】斜め方向から入射する光を効率良く受光面へ垂直に屈折させて導入することで感度及びシェーディング、色シェーディングを低減するマイクロレンズを備えた固体撮像素子とその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１１上に形成された複数の光電変換素子と、複数の光電変換素子のそれぞれに対応して配置された、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１３と、その上に形成されたマイクロレンズ層１８と、を有する固体撮像素子において、マイクロレンズ層は、個々のレンズである複数の要素レンズから構成されており、要素レンズは、隣接する要素レンズ間の谷部１９と頂部２０との高低差が、半導体基板の中央部から放射方向に漸次大きくなり、カラーフィルタ層の表面から要素レンズの頂部までの距離をレンズ高さとすると、レンズ高さはマイクロレンズ層において一定であ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、マイクロレンズアレイを有する固体撮像素子の製造方法に関する。

固体撮像素子は、光を吸収して電荷を発生するＣＭＯＳタイプの光電変換素子を２次元的に配列し、発生した電荷を外部へ電気信号として転送するものであって、テレビカメラ、デジタルスチルカメラなどに広く用いられている。

ＣＭＯＳなど固体撮像素子上の光電変換素子が光電変換に寄与する領域（開口部）は、固体撮像素子のサイズや画素数に依存するが、固体撮像素子の全面積に対し２０〜４０％
程度に限られてしまう。開口部が小さいことは、そのまま感度低下につながるので、これを補うため光電変換素子上に集光用のマイクロレンズを形成することが一般的である。

固体撮像素子用マイクロレンズは、一般的に固体撮像素子面内の全てにおいて同一形状であるため、異なる入射光角度に対応できず、焦点が受光面に一致しない不具合があった。このため、マイクロレンズの斜め入射光による集光点が前ピンになると、入射光は光電変換素子面に達する前に焦点を結ぶため、光電変換素子面で広がり、遮光膜に阻止されて光電変換素子受光面に入る光量が低下してしまう。また、斜め入射光が遮光膜とその下地の半導体基板表面との間に入り込む光量も増えてしまう。この結果、固体撮像素子の周辺部では、感度が低下（本来、受光部に入射すべき光線が金属電極等で遮られ入射光量が低下する）し、また、シェーディング（有効撮像領域の周辺部での感度低下）、色シェーディング（有効撮像領域の周辺部でのカラーフィルタの色毎の感度差）の増大の発生する問題があった。

一方、例えば特許文献１に、斜め方向から入射する光に対して、受光面に集光されない無効光をなくすため、受光面に垂直に入射させるレンズ形状としたマイクロレンズが提案されているが、一般的な凸レンズを中心軸に平行な平面で切断し、その一部分を用いるものであったため、平面部に入射した光は受光面に垂直に屈折せず、迷光を増大させて集光効率を低下させる問題があった。

特開平１−２１３０７９号公報

本発明はこのような問題を解決するもので、斜め方向から入射する光を効率良く受光面へ垂直に屈折させて導入することで感度及びシェーディング、色シェーディングを低減するマイクロレンズを備えた固体撮像素子およびその製造方法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、本発明の請求項１に記載の発明は、半導体基板上に形成された複数の光電変換素子と、複数の前記光電変換素子のそれぞれに対応して配置された、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、前記カラーフィルタ層上に形成されたマイクロレンズ層と、を有する固体撮像素子において、
前記マイクロレンズ層は、個々のレンズである複数の要素レンズから構成されており、
前記要素レンズは、隣接する要素レンズ間の谷部と要素レンズの頂部との高低差が、前記半導体基板の中央部から放射方向に漸次大きくなり、
前記カラーフィルタ層の表面から前記要素レンズの頂部までの距離をレンズ高さとすると、前記レンズ高さは前記マイクロレンズ層において一定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、前記要素レンズの頂部を通って前記レンズ高さの方向に切断した切断面の形状は、球面形状、または放物線形状、またはＳｉｎ（正弦）関数形状の何れかであり、
前記切断面における前記要素レンズの頂部の位置が、前記半導体基板の中心側にずれていることを特徴とする請求項１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、請求項１又は２に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記マイクロレンズ層の形成に際し、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィ工程により前記要素レンズを一括形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

本発明の一態様に係る固体撮像素子用マイクロレンズは、マイクロレンズを構成する個々のレンズである要素レンズ間の谷部と頂部との高低差が前記半導体基板の中央部から放射方向に漸次大きくなり、且つマイクロレンズ高さは一定にすることで、斜め方向から入射する光を効率良く受光面へ垂直に屈折させて導入することが可能となる。結果、感度及びシェーディングと色シェーディングを低減させることができる。

本発明の一実施形態に係る固体撮像素子用マイクロレンズの製造方法を、図２のａ−ａ切断線での断面図で工程順に例示した説明図である。 発明の一実施形態に係る固体撮像素子用マイクロレンズの平面図を表した模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板上に形成された複数の光電変換素子と、複数の前記光電変換素子のそれぞれに対応して配置された、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、前記カラーフィルタ層上に形成されたマイクロレンズ層と、を有する固体撮像素子である。

マイクロレンズ層は、個々のレンズである複数の要素レンズから構成されている。
要素レンズは、隣接する要素レンズ間の谷部と要素レンズの頂部との高低差が、前記半導体基板の中央部から放射方向に漸次大きくなる。

マイクロレンズ層は、それを構成するレンズである複数の要素レンズから構成されている。また、要素レンズは、隣接する要素レンズ間の谷部と頂部との高低差が、半導体基板の中央部から放射方向に漸次大きくなり、カラーフィルタ層の表面から要素レンズの頂点までの距離である要素レンズの高さは、一定である。

また、要素レンズの頂部を通って前記レンズ高さの方向に切断した切断面の形状は、球面形状、または放物線形状、またはＳｉｎ関数形状の何れかであり、前記切断面における
前記要素レンズの頂部の位置が、前記半導体基板の中心側にずれていても良い。

図１は、本発明に係る固体撮像素子用マイクロレンズの製造方法の一実施の形態を示す。先ず、図１（ａ）に示すように、半導体基板１１上（受光素子は図示せず）に凸凹を低減し平滑性を改善するための平坦化層１２を形成し、その上にカラーレジストを用い、複数回のフォトリソグラフィプロセスによりベイヤー配列に基づく所定の位置にカラーフィルタ層１３を形成する。カラーフィルタ層１３は、緑色、赤色、青色からなる原色系フィルタ、或いは黄色、シアン色、マゼンタ色からなる補色系フィルタとすることができる。カラーフィルタ層１３の平面視での縦横の寸法は、例えば１.０μｍ〜１０.０μｍの範囲内にあり、典型的には１．０μｍ〜２．０μｍの範囲内にある。

次に、図１（ｂ）に示すように、カラーフィルタ層１３上にマイクロレンズ材料層１４を形成する。このマイクロレンズ材料層１４は、ポジ型フォトレジストをスピンコート法にて塗布し、ホットプレート上で熱硬化して形成する。このとき、形成されるマイクロレンズ材料層１４の膜厚は、例えば０．５μｍ〜５．０μｍの範囲内にあり、典型的には０．５μｍ〜２.０μｍの範囲内にある。

ここで、本発明におけるマイクロレンズ材料層１４の形成に採用可能な材料は、紫外線（ｇ線、ｈ線、ｉ線）、エキシマー・レーザー等を含む遠紫外線、電子線、イオンビームおよびＸ線等の放射線に感応するポジ型フォトレジスト用に好適なポジ型レジスト樹脂が使用できる。例えばノボラック型フェノール樹脂、ポリビニルフェノール樹脂などが例示できる。

さらに、前記マイクロレンズ材料層１４に採用可能な材料には、必要に応じて他の添加剤を本発明の特性を損なわない程度に含有させることができる。他の添加剤としては、基板との密着性向上の為の密着助剤、塗布性向上の為の界面活性剤、レベリング剤、分散剤、硬化剤が挙げられる。

次に、本発明では、マイクロレンズの凸形状を露光法で制御するため、グレイトーンマスク１６という特殊な露光用マスクを使用する。グレイトーンマスク１６は、マイクロレンズを構成する個々の要素レンズが形成される部位の光透過率を、形成したい要素レンズの立体的形状に対応させて、連続的に変化させたフォトマスクである。遮光膜の個々の要素レンズを形成する部位に濃淡のグラデュエーション（階調）が付いたフォトマスクということができる。

この階調の濃淡は、露光に用いる光では解像しない小さな径のドットの単位面積当たりの個数（粗密）の部分的な差によって達成される。グレイトーンマスク１６を用いた露光法により、所望のマイクロレンズの形状を制御することが容易となる。また表面荒れを抑制し、レンズ表面の光散乱が少なく、滑らかなマイクロレンズを得ることが出来る。形成されるマイクロレンズの要素レンズの形状としては、球面形状、放物線形状、Ｓｉｎ（正弦）関数形状、三角錐などがある。好ましくは集光効率の観点より放物線形状が好ましい。ここで要素レンズとは、マイクロレンズを構成する微小なレンズを指す。

図１（ｃ）に示すように、光源光１５を所定のパターンを有するグレイトーンマスク１６に照射し透過光束を集光光学系１７により縮小して、マイクロレンズ材料層１４を露光する。

次に、現像処理をすることによって、図１（ｄ）に示すようにカラーフィルタ層上に放物線形状のマイクロレンズ層１８が形成される。

図２に、本発明が適用される固体撮像素子用マイクロレンズの平面図を示す。ここで、マイクロレンズ層１８とマイクロレンズは、同じものを指すこととする。ａ−ａ切断線での断面図はマイクロレンズの横断面を示している。なお、図１（ｄ）、（ｅ）においては、マイクロレンズ層１８の個々の要素レンズの大きさは、実際とは異なり、誇張して表している。

図１（ｄ）において、隣接するマイクロレンズの要素レンズの間の谷部１９とマイクロレンズの要素レンズの頂部２０とは、高低差Ｈ１を有する。この高低差Ｈ１が半導体基板１１の中央部から放射方向に漸次大きくなる半導体基板１１の端部では、マイクロレンズ高低差が大きい。その為、円弧の曲率半径が小さくなり、斜めに到達する主光線を、垂直方向へ曲げることが出来る。よって光電変換素子に集光させるために有利である。またカラーフィルタ層１３上からのマイクロレンズの高さＨ２を固体撮像素子面内の全てにおいて同一高さとすることで、クロストークの影響を軽減することになる。クロストークとは、本来、ある色に入射するはずである光が、各色の顔料の屈折率差の影響により、隣の色に入射する現象のことをいう。クロストークの影響により、屈折率の低い色は隣接する屈折率の高い色に光をとられてしまい、受光部への光量が減るので感度低下を引き起こしてしまう。さらに好ましくは、図１（ｅ）に示すように、マイクロレンズの中心位置から前記半導体基板の中心側にずらすことで、端部の集光を向上させることが出来る。図１（ｅ）に示す断面視において、半導体基板１１の端部に行けば行くほど、要素レンズの頂部における接線に垂直な線が内側に傾斜する凸曲面を有するマイクロレンズとなる。

このように、上記のマイクロレンズ層１８では、半導体基板１１中央部から端部側に断面視で放射方向に漸次高低差Ｈ１が大きくなるように形成されることで、マイクロレンズに入射した主線光を、より多く、半導体基板１１面に垂直な方向に屈折させることが可能となる。これにより、斜め方向から入射する光が効率良く受光素子に導入可能となり、シェーディングおよび色シェーディングを低減することが出来る。

次に、光源光１５を照射し透過光束を集光光学系により縮小して、マイクロレンズ層１８をブリーチング露光する。ブリーチング露光工程は、現像工程で形成したマイクロレンズ層１８の全体に光を照射して光透過性を向上させる工程である。次に、ポストベークする。ポストベークする際の温度は、例えば１１０〜２５０℃で複数回に分けて段階的にベーク処理することにより、マイクロレンズ層１８を流動化することなく、膜硬化を進めることが出来る。段階的に設定する温度の最小値は、生産プロセスの許容値より約５℃である。

以下に、本発明による固体撮像素子用マイクロレンズの製造方法を実施例にて詳細に説明する。

＜実施例１＞
図１（ｅ）に示すように、半導体基板上３１に平坦化層３２、カラーフィルタ層３３とマイクロレンズ３８が形成されたものである。

カラーフィルタ層３３の各色層であるＲ（赤）画素、Ｇ（緑）画素、Ｂ（青）画素の形成には、それぞれ赤色用顔料：Ｃ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ ２５４（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製「イルガーフォーレッド Ｂ−ＣＦ」）およびＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ１７７（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製「クロモフタールレッド Ａ２Ｂ」）、緑色用顔料：Ｃ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｇｒｅｅｎ ３６（東洋インキ製造製「リオノールグリーン ６ＹＫ」）およびＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｙｅｌｌｏｗ １５０（バイエル社製「ファンチョンファーストイエロー Ｙ−５６８８」）、青色用顔料：Ｃ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｂｌｕｅ １５（東洋インキ製造製「リオノールブルーＥＳ」）Ｃ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｖｉｏｌｅｔ ２３（ＢＡＳＦ社製「パリオゲンバイオレット ５８９０」）を、アクリル系樹脂、シクロヘキサノン溶剤とともに調製したアクリル系の感光性着色レジストを用いた。色材の添加量は、それぞれレジスト中の固形分比にて約５０％とした。

図１（ａ）に示すように、先ず、半導体基板３１上にスピンコート法によって熱硬化型のアクリル樹脂溶液を塗布し、次いでホットプレート上で２００℃、５分の熱処理を施し、０．１μｍの厚さの平坦化層３２を形成した。平坦化層３２上にスピンコート法によりアクリル系の感光性緑色着色レジストを塗布し、ホットプート上で８０℃、１分間のプリベーク処理を行った。次に、ｉ線ステッパー（Ｎｉｋｏｎ ｉ１２、露光波長３６５ｎｍ）を使用してパターン露光した後、有機アルカリ現像液（ＴＭＡＨ濃度０．０５％）で１分間の現像処理を行い、さらに十分に純水でリンスし、水切り乾燥を行った。その後、２２０℃、６分間のポストベークを行い、Ｇ（緑）画素パターンを形成した。Ｒ（赤）画素、Ｂ（青）画素についてもＧ（緑）画素と同様にフォトリソグラフィ法を用いてベイヤー配列に基づく所定の位置に形成し、画素サイズが２．０μｍのカラーフィルタ層３３を得た。Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のパターンを測定したところ、膜厚は各々１．０μｍであった。

次に、図１（ｂ）に示すように、カラーフィルタ層３３の上にポジ型フォトレジストをスピンコート法により塗布し、ホットプレート上で９０℃、１分間のプリベーク処理を行った。結果、厚さ０．８μｍのマイクロレンズ材料層３４を形成した。

次に、図１（ｃ）に示すように、ｉ線ステッパー（Ｎｉｋｏｎ ｉ１２、露光波長３６５ｎｍ）を用いて、光源光３５を所定のパターンを有するグレイトーンマスク３６に照射し透過光束を集光光学系３７により１／４に縮小して、マイクロレンズ材料層３４で所定時間露光した。

次に、有機アルカリ現像液（ＴＭＡＨ濃度１．１９％）で１分間の現像処理を行い、さらに十分に純水でリンスし、水切り乾燥を行った。図１（ｄ）に示すようにカラーフィルタ層３３上にマイクロレンズ層３８を形成した。次に、ｉ線ステッパー（Ｎｉｋｏｎ ｉ１２、露光波長３６５ｎｍ）を用いて、光源光を照射し透過光束を集光光学系により１／４に縮小して、マイクロレンズ層３８に所定時間露光した（ブリーチング工程）。さらに、マイクロレンズ層３８をガラス転移温度以下の１２０℃、１４０℃、２００℃と段階的に変化させ、各６分間のポストベークを行った。得られたマイクロレンズ層３８は、マイクロレンズ高さ（Ｈ２）０．８μｍのスムースな放物線形状であった。マイクロレンズの谷部３９と頂部４０の高低差は半導体基板３１の中央部で２００ｎｍ、端部で４００ｎｍ、半導体面内の高低差Ｒａｎｇｅは２００ｎｍであった。

＜実施例２＞
実施例１におけるレンズ形状がＳｉｎ関数形状である点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズ層を形成した。

＜実施例３＞
実施例１におけるレンズ形状が球面形状である点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズ層を形成した。

＜実施例４＞
実施例１におけるレンズ形状が中心位置から半導体基板の中心側にずれている点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズ層を形成した。

＜実施例５＞
実施例１におけるレンズ形状がＳｉｎ関数形状であり、且つ中心位置から半導体基板の中心側にずれている点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズ層を形成した。

＜実施例６＞
実施例１におけるレンズ形状が球面形状であり、且つ中心位置から半導体基板の中心側にずれている点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズ層を形成した。

＜実施例７＞
実施例１におけるマイクロレンズの谷部３９と頂部４０の高低差Ｈ１は半導体基板中央部で２００ｎｍ、端部で６００ｎｍ、半導体面内の高低差Ｒａｎｇｅは４００ｎｍであった点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズ層を形成した。

＜比較例１＞
実施例１におけるマイクロレンズの谷部３９と頂部４０の高低差Ｈ１は半導体基板中央部で２００ｎｍ、端部で１９０ｎｍ、半導体面内の高低差Ｒａｎｇｅは１０ｎｍであった点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。

＜比較例２＞
比較例１におけるレンズ形状が、Ｓｉｎ関数形状である点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。

＜比較例３＞
比較例１におけるレンズ形状が、球面形状である点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。

＜比較例４＞
比較例１におけるレンズ形状が、中心位置から半導体基板の中心側にずれている点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。

＜比較例５＞
比較例１におけるレンズ形状が、Ｓｉｎ関数形状であり、中心位置から半導体基板の中心側にずれている点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。

＜比較例６＞
比較例１におけるレンズ形状が球面形状であり、中心位置から半導体基板の中心側にずれている点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。

なお、形成されたマイクロレンズの形状観察、及びレンズ高さの測定方法は、以下の通りである。

〔形成されたマイクロレンズ形状測定について〕
形成されたマイクロレンズ形状については測長ＳＥＭ（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製ｅＣＤ２−ＸＰ）で観察し評価した。

〔マイクロレンズ高さの測定について〕
マイクロレンズ高さはＡＦＭ（原子間力顕微鏡）東陽テクニカ製（ｉ−ｎａｎｏ）にて測定した。

〔感度評価〕
上記の方法で形成したマイクロレンズ層を備えた固体撮像素子の感度を測定した。比較例１に示すものとの感度比較を行なった。その結果を表１にまとめて示した。

表１から明らかなように、実施例１〜７では、従来の方式と比較して集光感度が向上した。その結果として、シェーディングおよび色シェーディングが低減出来たものと考えられる。

比較例１〜５においては、集光感度はほぼ従来のものと同等であった。

１１、３１・・・ 半導体基板
１２、３２・・・ 平坦化層
１３、３３・・・ カラーフィルタ層
１４、３４・・・ マイクロレンズ材料層
１５、３５・・・ 光源光
１６、３６・・・ グレイトーンマスク
１７、３７・・・集光光学系
１８、３８・・・マイクロレンズ層
１９、３９・・・マイクロレンズ間の谷間
２０、４０・・・マイクロレンズの頂部
Ｈ１・・・マイクロレンズの谷部と頂部の高低差
Ｈ２・・・マイクロレンズ高さ

Claims (3)

1. 半導体基板上に形成された複数の光電変換素子と、複数の前記光電変換素子のそれぞれに対応して配置された、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、前記カラーフィルタ層上に形成されたマイクロレンズ層と、を有する固体撮像素子において、
   前記マイクロレンズ層は、個々のレンズである複数の要素レンズから構成されており、
   前記要素レンズは、隣接する要素レンズ間の谷部と要素レンズの頂部との高低差が、前記半導体基板の中央部から放射方向に漸次大きくなり、
   前記カラーフィルタ層の表面から前記要素レンズの頂部までの距離をレンズ高さとすると、前記レンズ高さは前記マイクロレンズ層において一定であることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記要素レンズの頂部を通って前記レンズ高さの方向に切断した切断面の形状は、球面形状、または放物線形状、またはＳｉｎ（正弦）関数形状の何れかであり、
   前記切断面における前記要素レンズの頂部の位置が、前記半導体基板の中心側にずれていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 請求項１又は２に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記マイクロレンズ層の形成に際し、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィ工程により前記要素レンズを一括形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。