JP2019120872A - 固体撮像素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各画素のカラーフィルタ層の外周に、斜め方向からの入射光による混色を確実に防止する画素間遮光性をもつ隔壁を有する固体撮像素子、及びその製造方法を提供する。【解決手段】カラーフィルタ層の外周に黒色樹脂組成物からなる隔壁を備え、隔壁は土台層と壁層の２層構造からなる固体撮像素子とし、隔壁の製造方法が、以下の１）〜４）の工程を順に含む固体撮像素子の製造方法とする。１）黒色樹脂組成物により土台層を形成する工程。２）土台層を含む面上にカラーフィルタ層を形成する工程。３）土台層上のカラーフィルタ層の一部を、表面から土台層まで除去する工程。４）カラーフィルタ層の一部を除去した部分に黒色樹脂組成物を注入し壁層を形成する工程。【選択図】図１

Description

本発明はカラーフィルタ層が形成された固体撮像素子、及びその製造方法に関するものである。

固体撮像素子は、複数の画素が平面視で例えば横方向と縦方向にマトリクス状に配置された撮像領域が基板の面に設けられており、撮像領域では、被写体像からの光を受光して信号電荷を生成する光電変換部が各画素に対応するように形成されている。例えば、ＣＭＯＳやＣＣＤからなるフォトダイオードが光電変換部として使用される。

さらに光電変換部の上方に、各画素に対応するようにカラーフィルタ層が設けられており、カラーフィルタ層によって着色された光を光電変換部が受光するように構成されている。

また多くの場合、カラーフィルタ層の上方に、各画素に対応してマイクロレンズが設けられており、マイクロレンズによって集光された光が、カラーフィルタ層を介して、光電変換部へ入射するように構成されている。

近年、デジタルカメラや携帯電話、スマートフォン等のカメラ付き電子機器の小型化の進展、及び固体撮像素子の多画素化に対する要望に伴い、固体撮像素子における画素の微細化が進展している。他方で、満足する分光特性を得ようとすると、カラーフィルタ層の厚さは厚い方が望ましい。

画素の微細化が進展し、画素サイズに対する膜厚のアスペクト比が高くなるにつれて、画素の斜め方向から入射した光がカラーフィルタによって分光されたのち、隣接する他の色のカラーフィルタを通って光電変換部に入光する、いわゆる混色が生じてしまう問題が発生する。斜め方向からの入射光は、固体撮像素子内部の表面反射光がモジュールユニットのカバーガラスでさらに反射した２次反射光によっても生じる。

図６（ａ）には、従来例として、隔壁を有しない固体撮像素子５００の模式断面図を示す。半導体基板５２には光電変換部としてＣＭＯＳやＣＣＤからなるフォトダイオード５３が形成され、また金属材料からなる遮光膜５４が形成されている。また、半導体基板５２上に透明樹脂からなる平坦化層５５が形成されている。平坦化層５５上には、フォトダイオード５３に対応して、顔料や染料などの色材を分散させた樹脂からなる複数のカラーフィルタ層（ここでは緑色カラーフィルタ層５１（Ｇ）、赤色カラーフィルタ層５１（Ｒ））が形成されている。これらのカラーフィルタ層上に透明樹脂からなる平滑化層５６が形成され、その上にマイクロレンズ５７が形成されている。

図６（ｂ）は、図６（ａ）で示した従来の固体撮像素子５００をカラーフィルタ層中のＰ―Ｐ’線に沿って、半導体基板５２に平行な面で切断して上方から俯瞰した模式平面図である。それぞれの画素に対応して形成された複数のカラーフィルタ層（ここでは緑色カラーフィルタ層５１（Ｇ）、赤色カラーフィルタ層５１（Ｒ）、青色カラーフィルタ層５１（Ｂ））がマトリクス状に配列している。尚、緑色画素を他の色の画素に比べ２倍に多くするのは通常の手法で、人の目の視感度の高い緑色に対する解像度が見かけ上の解像度を高めるためである。

図６（ａ）に、従来の固体撮像素子５００に斜め方向からの入射光ａが入射した場合の
光線軌道の概略図を示している。このように従来の固体撮像素子５００では斜め入射光ａは隣接画素のフォトダイオードに到達し、混色となってしまう。

そこで、画素の斜め方向からの入射光による混色を防止するために、各画素のカラーフィルタ層の外周に光を遮る隔壁を形成する方法が知られている（例えば特許文献１、２）。液晶ディスプレイ等の光学表示デバイスに用いられるカラーフィルタでは、黒色樹脂組成物によるブラックマトリクス構造（ＢＭ）の隔壁が一般的に知られている。しかし、固体撮像素子では、カラーフィルタパターンのサイズが数μｍ以下であるため、一般的なＢＭの形成方法を用いて隔壁を形成すると、画素欠陥のようにＢＭの一部で塗りつぶされてしまう画素が生じ解像性が低下してしまう。

また、高精細化が進んでいる固体撮像素子の場合、一つの画素サイズが１μｍ程度となるまで画素サイズの微細化が進んでいるため、求められる隔壁のサイズは幅数百ｎｍ、より好ましくは２００ｎｍ以下程度である。従って、隔壁のサイズと膜厚とのアスペクト比も高くなり、従来のＢＭのようにフォトリソグラフィ法で自立パターンとして隔壁を形成することは難しくなる。

このため、ケイ素酸化物等の無機物を蒸着、スパッタ等により成膜してエッチングによりパターン化し、屈折率差により入射光を反射させて隔壁とする方法が提案されている（例えば特許文献３）。しかしながら、ケイ素酸化物等の無機物は透光性であるため、遮光という観点からは隣接画素への入射光を完全に防ぐことはできない。

図７（ａ）には、別の従来例として、隔壁を有する固体撮像素子６００の模式断面図を示す。固体撮像素子６００は、図６（ａ）の従来例の固体撮像素子５００の構造に加えて、異なる色のカラーフィルタ同士の境界部に隔壁６０を備えている。図７（ｂ）は、図７（ａ）で示した固体撮像素子６００をカラーフィルタ層中のＱ―Ｑ’線に沿って、半導体基板５２に平行な面で切断して上方から俯瞰した模式平面図である。このように、隔壁６０は格子状にパターニングされ、各画素のカラーフィルタ層の外周を取り囲んでいる。

隔壁６０は、ケイ素酸化物等の無機物、もしくは黒色樹脂組成物により形成されている。図７（ａ）には、隔壁６０がケイ素酸化物等の無機物により形成されているとき、斜め方向から入射光ｂが入射した場合の光線軌道の概略図を示している。このように入射光ｂは部分的にはカラーフィルタ層と隔壁６０の屈折率の差により反射され、本来のフォトダイオード５３に入射するが、一部は隔壁６０を通過し隣接する画素に入射してしまう。

一方、隔壁６０が黒色樹脂組成物により形成されている場合は、画素の微細化が進展し隔壁のサイズと膜厚とのアスペクト比が高くなると、従来のＢＭのようにフォトリソグラフィ法で自立パターンとして形成することが難しくなる。また、ドライエッチング法で微細な高アスペクト比パターンを垂直性良く形成することも難しくなる。

特許文献４には、黒色樹脂組成物をドライエッチング技術により格子状にパターン化して隔壁を形成する方法が開示されている。しかしながら、特許文献４のようにドライエッチングを繰り返す方法では加工時間が長くなりスループットが低下するとともに、製造装置やプロセスガスの使用、工程の複雑化等で製造コストが高くなってしまうという問題がある。

特開２０１５−３５５５５号公報 特開２０１４−２２５６６７号公報 特開２０１７−６３１７１号公報 特開２０１０−１３４３５２号公報

上記のように、斜め方向からの入射光による混色を防止するために、各画素のカラーフィルタ層の外周に光を遮る隔壁を形成する提案はなされているが、確実に混色を防止する画素間遮光性をもつ構造、及びその高コスト化を伴わない製造方法は確立されていなかった。

本発明は、上記のような従来技術の問題を解決するものであり、その目的とするところは、各画素のカラーフィルタ層の外周に、斜め方向からの入射光による混色を確実に防止する画素間遮光性をもつ隔壁を有する固体撮像素子、及びその製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、複数の画素がマトリクス状に集積されてなる固体撮像素子であって、
半導体基板に前記画素ごとに形成されたフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの上方に形成されたカラーフィルタ層と、
前記カラーフィルタ層の上方に形成されたマイクロレンズと、を備え、
前記カラーフィルタ層の外周に黒色樹脂組成物からなる隔壁を備え、
前記隔壁は、土台層と壁層の２層構造からなることを特徴とする固体撮像素子としたものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記隔壁の製造方法が、以下の１）〜４）の工程を順に含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法としたものである。
１）前記黒色樹脂組成物により前記土台層を形成する工程。
２）前記土台層を含む面上に前記カラーフィルタ層を形成する工程。
３）前記土台層上の前記カラーフィルタ層の一部を、表面から前記土台層まで除去する工程。
４）前記カラーフィルタ層の一部を除去した部分に黒色樹脂組成物を注入し前記壁層を形成する工程。

本発明によれば、各画素のカラーフィルタ層の外周に斜め方向からの入射光による混色を確実に防止する画素間遮光性をもつ隔壁を有する固体撮像素子、及びその高コスト化を伴わない製造方法が得られる。

本発明の固体撮像素子に係る模式断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法で用いるフォトマスクの模式平面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法に係る工程の一部を示す、左列は模式平面図、右列は模式断面図である。 図３に続く工程を示す、左列は模式平面図、右列は模式断面図である。 図４に続く工程を示す、左列は模式平面図、右列は模式断面図である。 従来の固体撮像素子を例示する（ａ）模式断面図、（ｂ）模式平面図である。 従来の隔壁を有する固体撮像素子を例示する（ａ）模式断面図、（ｂ）模式平面図である。

以下、本発明の実施形態に係る固体撮像素子とその製造方法について図面を用いて説明する。同一の構成要素については便宜上の理由がない限り同一の符号を付ける。各図面において、見易さのため構成要素の厚さや比率は誇張されていることがあり、構成要素の数も減らして図示していることがある。また、本発明はその主旨を逸脱しない範囲で、以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は本発明の固体撮像素子に係る模式断面図である。本発明の固体撮像素子１００を図７の従来例の固体撮像素子６００と比較すると、隔壁を備えていることは同じであるが、本発明の固体撮像素子１００では、隔壁の構造は土台層１１と壁層１２の２層構造となっている。

本発明の固体撮像素子１００では隔壁を土台層１１と壁層１２の２層構造とすることにより、ケイ素酸化物等の無機物よりも遮光性に優れる黒色樹脂組成物を用いて、垂直性のよい隔壁が形成されている。従って、斜め方向からの入射光による混色を確実に防止することができる。

以下に説明するように、壁層１２はカラーフィルタ層を除去した部分に黒色樹脂組成物を注入することにより形成するので、ドライエッチング工程は黒色樹脂組成物を注入するための開口部を形成する一工程だけとなるとともに、エッチング深さも隔壁全体の高さから土台層１１の高さ分だけ浅くなる。これにより、ドライエッチング加工の垂直性を向上することができる。

図３〜図５は、本発明の固体撮像素子の製造方法に係る工程の一部を示す、左列は模式平面図、右列は模式断面図である。尚、図３〜図５では、図１において破線で示すＴ枠の領域、図２において破線で示すＳ枠の領域のみを図示している。

図３（ａ）は、図１に示すようにフォトダイオード３が形成された半導体基板２上に遮光膜４及び平坦化層５が形成された積層体（図示せず）上に、黒色樹脂組成物１０を塗布した形態を示している。黒色樹脂組成物１０は、ネガ型の感光性樹脂を含むレジスト（ネガ型レジスト）となっている。

図３（ｂ）は、前記黒色樹脂組成物１０を、図２に示すフォトマスク２０を介して露光し、現像を行い、ポストベーク工程を通して硬化させ、土台層１１を形成した形態を示している。土台層１１の断面形状は基本的に四角形となるが、図３（ｂ）右列に示すように、上底よりも下底が長い台形状であることが安定性の観点からは好ましい。

ネガレジストパターンの断面形状を上底よりも下底が長い台形状とする方法としては、露光に用いるフォトマスクを、光透過部（図２の符号２１）の透過率が遮光部（図２の符号２２）の近傍では次第に低くなる階調型マスクとする方法や、ネガ型レジストを多層化し、下層ほど感度が高いレジストとする方法などがある。

図３（ｃ）は、前記土台層１１を形成した積層体（図示せず）上に、緑色カラーフィルタ層用レジストを塗布し、緑色カラーフィルタ層形成用フォトマスク（図示せず）を介して露光し、現像を行い、ポストベーク工程を通して硬化させ、緑色カラーフィルタ層１（Ｇ）を形成した形態を示している。ここで、右列の断面図のように、緑色カラーフィルタ層１（Ｇ）は、土台層１１にも一部乗り上げるように形成する。

図４（ａ）は、前記緑色カラーフィルタ層１（Ｇ）を形成した上に、赤色カラーフィル
タ層用レジストを塗布し、赤色カラーフィルタ層形成用フォトマスク（図示せず）を介して露光し、現像を行い、ポストベーク工程を通して硬化させ、赤色カラーフィルタ層１（Ｒ）を形成した後、さらに青色カラーフィルタ層用レジストを塗布し、青色カラーフィルタ層形成用フォトマスク（図示せず）を介して露光し、現像を行い、ポストベーク工程を通して硬化させ、青色カラーフィルタ層１（Ｂ）を形成した形態を示している。

図４（ｂ）は、前工程までで緑色カラーフィルタ層１（Ｇ）、赤色カラーフィルタ層１（Ｒ）、及び青色カラーフィルタ層１（Ｂ）を形成した上に、ポジ型レジストを塗布し、壁層１２（図１参照）形成用フォトマスク（図示せず）を介して露光し、現像を行い、後述の壁層１２（図１参照）を形成するためのポジレジストパターン２５を形成した形態を示している。ここで使用するフォトマスク（図示せず）は、図３（ｂ）の工程で土台層１１を形成するために使用したフォトマスク２０（図２参照）と同じ白黒パターンをからなり、光透過（白）部の線幅が土台層１１を形成するために使用したフォトマスクよりもやや小さいフォトマスクであることが好ましい。

図４（ｃ）は、前記ポジレジストパターン２５をエッチングマスクとしてドライエッチングを行い、土台層１１上のカラーフィルタ層（図では緑色カラーフィルタ層１（Ｇ））の一部を、表面から土台層１１まで除去し、後述の壁層１２を形成するための開口部２６を形成した形態を示している。尚、エッチングマスクであるポジレジストパターン２５はドライエッチ中に膜減りするので、ドライエッチ終了と同時に消失するようにポジレジストパターン２５の膜厚、及びドライエッチング条件を設定してもよく、残存する場合はドライエッチ終了後にアルカリ系溶液等により除去してもよい。

ここで、開口部２６の最下部は土台層１１まで達していればよいが、図４（ｃ）右列の断面図のように、土台層１１の途中まで開口部２６の一部となっていることが、隔壁全体の安定性、及び斜め入射光のより確実な防止の観点から好ましい。

開口部２６は、図４（ｃ）左列の平面図に一部を示すように、各色のカラーフィルタ層の外周を取り囲み、格子状にパターニングされている。従って、緑色カラーフィルタ層１（Ｇ）、赤色カラーフィルタ層１（Ｒ）、及び青色カラーフィルタ層１（Ｂ）は、開口部２６により分離され、いずれも最終的なカラーフィルタ層の形態となっている。

図５（ａ）は、前記図４（ｃ）の形態の上に壁層形成用の黒色樹脂組成物１２ａを塗布するとともに、前工程で形成した開口部２６に、後述の壁層１２を形成するために黒色樹脂組成物１２ａを注入した形態を示している。ここで、黒色樹脂組成物１２ａは、土台層１１を形成するために使用した黒色樹脂組成物１０と同じものであっても異なるものであってもよい。

図５（ｂ）は、前記黒色樹脂組成物１２ａを、図２に示すフォトマスク２０と同じ白黒パターンをもつフォトマスク（図示せず）を介して露光し、現像を行い、ポストベーク工程を通して硬化させ、壁層１２を形成した形態を示している。ここで使用するフォトマスク（図示せず）は、図４（ｂ）の工程でポジレジストパターン２５を形成するために使用したフォトマスクを使用することができる。図５（ｂ）の工程までで、カラーフィルタ層１（Ｇ）、１（Ｒ）、１（Ｂ）、及び土台層１１と壁層１２からなる隔壁の形成は終了する。

図５（ｃ）は、形成したカラーフィルタ層１（Ｇ）、１（Ｒ）、１（Ｂ）、及び土台層１１と壁層１２からなる隔壁の上に、平滑化層６となる樹脂組成物を塗布し、ポストベーク工程を通して硬化させ平滑化層６を形成した形態を示している。平滑化層６となる樹脂組成物としてはアクリル系樹脂、スチレン系樹脂、エポキシ系樹脂等の樹脂成分を中心と
した材料構成で、膜形成後に透明性、耐熱性を持つ材料構成であり、従来から固体撮像素子用として利用されている材料を好適に選択できる。

以上説明したように、本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、ドライエッチング工程は図４（ｃ）の開口部２６を形成し、同時に各色のカラーフィルタ層を分離形成する一工程のみであり、特許文献４のようにドライエッチングを繰り返すことがない。また、隔壁を２層構造とし土台層を導入するので、エッチング深さは壁層分だけとなり従来よりも浅くなる。これらにより、ドライエッチング加工の垂直性を向上するとともに、加工時間が短くなってスループットの低下を抑え、プロセスガスの使用量も少なくなり、製造コストを抑制することができる。

１（Ｒ）、５１（Ｒ）・・・カラーフィルタ層（赤）
１（Ｇ）、５１（Ｇ）・・・カラーフィルタ層（緑）
１（Ｂ）、５１（Ｂ）・・・カラーフィルタ層（青）
２、５２・・・半導体基板
３、５３・・・フォトダイオード
４、５４・・・遮光膜
５、５５・・・平坦化層
６、５６・・・平滑化層
７、５７・・・マイクロレンズ
１０・・・・・塗布した黒色樹脂組成物
１１・・・・・隔壁の土台層
１２・・・・・隔壁の壁層
１２ａ・・・・壁層形成用黒色樹脂組成物
２０・・・・・フォトマスク
２１・・・・・光透過部
２２・・・・・遮光部
２５・・・・・ポジレジストパターン
２６・・・・・開口部
６０・・・・・隔壁
１００・・・・・・・固体撮像素子（本発明）
５００、６００・・・固体撮像素子（従来）
Ｔ、Ｓ・・・・・・・図３〜図５の図示領域
ａ、ｂ・・・・・・・斜め入射光

Claims (2)

1. 複数の画素がマトリクス状に集積されてなる固体撮像素子であって、
   半導体基板に前記画素ごとに形成されたフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードの上方に形成されたカラーフィルタ層と、
   前記カラーフィルタ層の上方に形成されたマイクロレンズと、を備え、
   前記カラーフィルタ層の外周に黒色樹脂組成物からなる隔壁を備え、
   前記隔壁は、土台層と壁層の２層構造からなることを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記隔壁の製造方法が、以下の１）〜４）の工程を順に含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
   １）前記黒色樹脂組成物により前記土台層を形成する工程。
   ２）前記土台層を含む面上に前記カラーフィルタ層を形成する工程。
   ３）前記土台層上の前記カラーフィルタ層の一部を、表面から前記土台層まで除去する工程。
   ４）前記カラーフィルタ層の一部を除去した部分に黒色樹脂組成物を注入し前記壁層を形成する工程。