JP2023016439A - 固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ペタルフレアの抑制と、高感度とを両立可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】固体撮像素子１００は、複数の光電変換素子ＰＤを有するウェハ基板１０１と、ウェハ基板上に形成され、光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部１０と、非感光性樹脂からなり、色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズ２１を有するマイクロレンズ部２０とを備える。複数のマイクロレンズは、色フィルタが配置された矩形の色フィルタ領域の対角方向に隣接する２つのマイクロレンズ間にギャップを有し、かつ色フィルタ領域の辺が延びる方向に隣接する２つのマイクロレンズ間にギャップを有して配置されている。
【選択図】図１
【解決手段】固体撮像素子１００は、複数の光電変換素子ＰＤを有するウェハ基板１０１と、ウェハ基板上に形成され、光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部１０と、非感光性樹脂からなり、色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズ２１を有するマイクロレンズ部２０とを備える。複数のマイクロレンズは、色フィルタが配置された矩形の色フィルタ領域の対角方向に隣接する２つのマイクロレンズ間にギャップを有し、かつ色フィルタ領域の辺が延びる方向に隣接する２つのマイクロレンズ間にギャップを有して配置されている。
【選択図】図１
Description
本発明は、固体撮像素子、より詳しくは、カラーフィルタおよびマイクロレンズアレイが取り付けられたオンチップタイプの固体撮像素子に関する。
光電変換素子に入射する光の経路に、特定の波長の光を選択的に透過する複数色の着色透明パターンを平面配置したカラーフィルタを設けることで、対象物の色情報を得ることを可能とした単板式の固体撮像素子が普及している。
固体撮像素子の薄型軽量化と高精細化に伴い、光電変換素子の配列基板上に直接カラーフィルタを形成するオンチップタイプの固体撮像素子が増えている。
固体撮像素子の薄型軽量化と高精細化に伴い、光電変換素子の配列基板上に直接カラーフィルタを形成するオンチップタイプの固体撮像素子が増えている。
オンチップタイプの固体撮像素子には、光電変換素子に効率よく光を導くために、マイクロレンズが配置されることがある（例えば、特許文献１参照）。
デジタル・イメージ機器の高画質化や小型化が進んでおり、オンチップタイプの固体撮像素子においてもさらに高精細化が要請されている。さらに、高感度であることが求められる場合も多い。
発明者は、このような固体撮像素子の高精細化に対応する検討を進める過程で、従来問題視されていなかったペタルフレア（petal flare）という新たな問題点を認識し、解決した。
発明者は、このような固体撮像素子の高精細化に対応する検討を進める過程で、従来問題視されていなかったペタルフレア（petal flare）という新たな問題点を認識し、解決した。
本発明は、ペタルフレアの抑制と、高感度とを両立可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。
本発明は、複数の光電変換素子を有するウェハ基板と、ウェハ基板上に形成され、光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部と、非感光性樹脂からなり、色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ部とを備える固体撮像素子である。
複数のマイクロレンズは、色フィルタが配置された矩形の色フィルタ領域の対角方向に隣接する２つのマイクロレンズ間にギャップを有し、かつ色フィルタ領域の辺が延びる方向に隣接する２つのマイクロレンズ間にギャップを有して配置されている。
複数のマイクロレンズは、色フィルタが配置された矩形の色フィルタ領域の対角方向に隣接する２つのマイクロレンズ間にギャップを有し、かつ色フィルタ領域の辺が延びる方向に隣接する２つのマイクロレンズ間にギャップを有して配置されている。
本発明によれば、ペタルフレアの抑制と、高感度とを両立可能な固体撮像素子を提供できる。
以下、本発明の一実施形態について、図１から図７を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る固体撮像素子の模式断面図である。固体撮像素子１００は、複数の光電変換素子ＰＤを有するウェハ基板１０１と、ウェハ基板１０１上に形成されたオンチップカラーフィルタ１とを備えている。
図１は、本実施形態に係る固体撮像素子の模式断面図である。固体撮像素子１００は、複数の光電変換素子ＰＤを有するウェハ基板１０１と、ウェハ基板１０１上に形成されたオンチップカラーフィルタ１とを備えている。
オンチップカラーフィルタ１は、複数種類の色フィルタを含むフィルタ部１０と、フィルタ部１０上に配置されたマイクロレンズ部２０とを有する。
フィルタ部１０は、色フィルタ１１、１２、１３の３種類の色フィルタを含む。フィルタ部１０の色の種類や数、および配分は、適宜決定でき、公知のものを採用できる。例えば、赤、緑、青の三色を用いたベイヤ配列などを例示できる。固体撮像素子１００の平面視において、各色フィルタは、光電変換素子ＰＤの１つと重なっている。
フィルタ部１０は、色フィルタ１１、１２、１３の３種類の色フィルタを含む。フィルタ部１０の色の種類や数、および配分は、適宜決定でき、公知のものを採用できる。例えば、赤、緑、青の三色を用いたベイヤ配列などを例示できる。固体撮像素子１００の平面視において、各色フィルタは、光電変換素子ＰＤの１つと重なっている。
マイクロレンズ部２０は、複数のマイクロレンズ２１を有する。マイクロレンズ２１は、フィルタ部１０の色フィルタと概ね同様の配置態様を有しており、固体撮像素子１００の平面視において、各色フィルタは、マイクロレンズ２１の１つと重なっている。
以上の様に構成された固体撮像素子１００においては、マイクロレンズ２１に入射した光が対応する色フィルタを経て光電変換素子ＰＤに導かれることにより、撮像機能を発揮する。
固体撮像素子の感度を向上させるためには、マイクロレンズによりできるだけ多くの光を光電変換素子に導くことが必要である。このため、マイクロレンズ部の各マイクロレンズは、熱リフローやエッチバック等の公知の技術を用いて、図２に示すように、平面視においてマイクロレンズＭＬの光学面がほぼ隙間なく配置されるよう形成されるのが常識であった。
固体撮像素子の感度を向上させるためには、マイクロレンズによりできるだけ多くの光を光電変換素子に導くことが必要である。このため、マイクロレンズ部の各マイクロレンズは、熱リフローやエッチバック等の公知の技術を用いて、図２に示すように、平面視においてマイクロレンズＭＬの光学面がほぼ隙間なく配置されるよう形成されるのが常識であった。
ところが、マイクロレンズの直径あるいはマイクロレンズが配置された色フィルタの一辺の寸法が１．２μｍ以下に高精細化された固体撮像素子において、十分な色純度が得られない現象が散見されるようになった。
発明者がこの現象について検討したところ、マイクロレンズによるペタルフレアがその大きな要因であることをつきとめた。
発明者がこの現象について検討したところ、マイクロレンズによるペタルフレアがその大きな要因であることをつきとめた。
ペタルフレアは、マイクロレンズの光軸まわりに間隔を空けて花びら状に生じるフレアであり、マイクロレンズの光学面で生じる法線方向以外の反射光の干渉により生じると考えられている。ペタルフレア自体は、原理上これまでのマイクロレンズアレイでも発生していたと考えられるが、従来は、単位画素領域の面積が大きく受光する光量が多かったことや、隣接する色フィルタ領域との距離（ピッチ）が大きかったことにより、問題として顕在化していなかったと考えられる。
発明者は、ペタルフレアを減少させる方法について種々検討した。その結果、マイクロレンズ部の平面視において、マイクロレンズのないギャップ領域を一定量設けることが有効であることを見出した。
色フィルタの平面視形状が正方形等の矩形である場合、マイクロレンズの直径を正方形の対角線と概ね同一とすることでマイクロレンズが図２のように隙間なく配置される。この状態からマイクロレンズの直径を減少させると、図３に示すように、正方形の隅部分にマイクロレンズのないギャップ領域Ｇが生じる。
ギャップ領域は、マイクロレンズの直径が減少するとまず隅部に生じ、さらに直径が減少すると、隅と隅との間の辺の部分に生じる。以降の説明において、隅部に生じるギャップを「対角ギャップ」、辺部分に生じるギャップ（辺の延びる方向におけるギャップ）を「水平ギャップ」と称することがある。
ギャップ領域が増加すると、マイクロレンズの平面視面積は減少する。平面視面積の減少は、集光される光の量の減少につながるため、ペタルフレアの抑制と感度の維持とを両立させることには困難が伴う。
発明者は、これを解決するために種々検討した結果、マイクロレンズを形成する材料の屈折率に着目し、本発明を完成させた。
発明者は、これを解決するために種々検討した結果、マイクロレンズを形成する材料の屈折率に着目し、本発明を完成させた。
固体撮像素子１００の製造手順の一例について説明する。
まず、二次元マトリクス状に配列された複数の光電変換素子ＰＤと、メタル配線等を有するウェハ基板１０１を準備する。次に、ウェハ基板１０１上に、各光電変換素子ＰＤの領域に対応させつつ所望の配列で色フィルタを形成し、ウェハ基板上にフィルタ部１０を設ける。
まず、二次元マトリクス状に配列された複数の光電変換素子ＰＤと、メタル配線等を有するウェハ基板１０１を準備する。次に、ウェハ基板１０１上に、各光電変換素子ＰＤの領域に対応させつつ所望の配列で色フィルタを形成し、ウェハ基板上にフィルタ部１０を設ける。
次に、非感光性樹脂からなる第一透明層２０Ａを、図４に示すように、フィルタ部１０上に形成する。さらに、感光性樹脂からなる犠牲層５０を、図５に示すように第一透明層２０Ａ上に形成する。
続いて、犠牲層５０を光電変換素子ＰＤの位置に対応させたパターンで露光現像した後、所定の条件で熱フロー工程を施すと、図６に示すように、第一透明層２０Ａ上に、略半球状の犠牲パターン５０Ａが光電変換素子ＰＤに対応する位置に形成される。
犠牲パターン５０Ａの形状は、この後形成されるマイクロレンズの形状に影響を及ぼすため、配列された犠牲パターン５０Ａが、少なくとも対角ギャップと水平ギャップの両方を有するように形成されることが好ましい。
犠牲パターン５０Ａの形状は、この後形成されるマイクロレンズの形状に影響を及ぼすため、配列された犠牲パターン５０Ａが、少なくとも対角ギャップと水平ギャップの両方を有するように形成されることが好ましい。
次に第一透明層２０Ａおよび犠牲パターン５０Ａに対してドライエッチングを施す。ドライエッチングにより、犠牲パターン５０Ａが消失するとともに、犠牲パターン５０Ａの形状が第一透明層２０Ａに転写され、第一透明層２０Ａに複数のレンズ状構造が形成される。この時点においては、レンズ状構造どうしは接触しておらず、レンズ状構造の周囲にギャップ領域が存在している。
通常のエッチバックレンズアレイの製造においては、犠牲パターンの形状が第一透明層に転写された後も、水平ギャップおよび対角ギャップがほぼなくなるまでドライエッチングが継続されるが、本実施形態においては、転写完了後直ちにドライエッチングを終了するか、通常よりも短い時間継続した後にエッチングを終了することにより、水平ギャップおよび対角ギャップのいずれも存在する状態でレンズ状構造の形成を完了する。
通常のエッチバックレンズアレイの製造においては、犠牲パターンの形状が第一透明層に転写された後も、水平ギャップおよび対角ギャップがほぼなくなるまでドライエッチングが継続されるが、本実施形態においては、転写完了後直ちにドライエッチングを終了するか、通常よりも短い時間継続した後にエッチングを終了することにより、水平ギャップおよび対角ギャップのいずれも存在する状態でレンズ状構造の形成を完了する。
以上により、複数のマイクロレンズ２１を有するマイクロレンズ部２０が完成する。その後、ダイシング等によりウェハ基板を所定のサイズに切り出すと、本実施形態の固体撮像素子１００が完成する。
図７に、実際に作製したマイクロレンズ部の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す。マイクロレンズ２１間に対角ギャップＤＧおよび水平ギャップＨＧの両方が確保されていることがわかる。
図７に、実際に作製したマイクロレンズ部の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す。マイクロレンズ２１間に対角ギャップＤＧおよび水平ギャップＨＧの両方が確保されていることがわかる。
マイクロレンズ部２０においては、ドライエッチングにより形成されたマイクロレンズ２１間に対角ギャップおよび水平ギャップが確保されているため、上述したような高精細であっても、ペタルフレアの発生が好適に抑制できる。発明者の検討では、色フィルタ領域が一辺１．１μｍの正方形である場合、対角ギャップを０．４０～０．７５μｍ、水平ギャップを０．１５～０．３５μｍ程度確保することにより、充分な感度を維持しながらペタルフレアの発生を十分に抑制できることを確認している。上記数値範囲を、色フィルタ領域の一辺の長さに対する比率で表すと、対角ギャップは３８％以上７０％以下、水平ギャップは１４％以上３５％以下となる。
この際の、平面視の単位色フィルタ領域に占めるマイクロレンズの割合であるフィルファクター（充填率）は、６５％～７５％程度であり、オンチップタイプの固体撮像素子に用いられる一般的なマイクロレンズアレイでは、到底あり得ない値である。
図７に示した例では、色フィルタ領域は一辺０．９３μｍの正方形であり、対角ギャップＤＧおよび水平ギャップＨＧは、それぞれ一辺の長さの４３％および１８％であり、上記数値範囲を満たしている。また、フィルファクターも７０％弱となっており、これも上記数値範囲を満たしている。
この際の、平面視の単位色フィルタ領域に占めるマイクロレンズの割合であるフィルファクター（充填率）は、６５％～７５％程度であり、オンチップタイプの固体撮像素子に用いられる一般的なマイクロレンズアレイでは、到底あり得ない値である。
図７に示した例では、色フィルタ領域は一辺０．９３μｍの正方形であり、対角ギャップＤＧおよび水平ギャップＨＧは、それぞれ一辺の長さの４３％および１８％であり、上記数値範囲を満たしている。また、フィルファクターも７０％弱となっており、これも上記数値範囲を満たしている。
対角ギャップおよび水平ギャップが確保されたマイクロレンズアレイは、犠牲層５０の現像露光および熱フローによっても形成できる。しかし、発明者の検討では、犠牲層に用いられる感光性樹脂には屈折率の上限があるため、対角ギャップおよび水平ギャップを確保しつつ感度を維持したり向上させたりすることが容易ではないことが分かった。その一方で、第一透明層に用いる非感光性樹脂には、感光性樹脂の上限を超える充分な屈折率を有する、例えば屈折率ｎが１．６以上のものも存在する。このような高い屈折率を有する非感光性樹脂としては、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ノルボルネン系樹脂、メタクリル樹脂、イソブチレン無水マレイン酸共重合樹脂、環状オレフィン系樹脂、ポリビニルアルコール、３－メトキシブチルアセテート、シクロペンタノン、γ－ブチロラクトン、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、アクリル系樹脂等を例示できる。
本発明では、上記知見を踏まえてそのような屈折率の高い材料を用いて第一透明層を形成し、エッチバックを用いてレンズアレイを形成することにより、マイクロレンズ部２０の屈折率を高め、集光率を向上している。その結果、ペタルフレアの発生抑制と高感度との両立を実現できる。
本発明では、上記知見を踏まえてそのような屈折率の高い材料を用いて第一透明層を形成し、エッチバックを用いてレンズアレイを形成することにより、マイクロレンズ部２０の屈折率を高め、集光率を向上している。その結果、ペタルフレアの発生抑制と高感度との両立を実現できる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。以下にいくつか変更を例示するが、これらはすべてではなく、それ以外の変更も可能である。これらの変更が２以上適宜組み合わされてもよい。
・各色フィルタ領域の形状は、上述した正方形に限られず、長方形や他の多角形であってもよい。色フィルタ領域の形状において、長方形等の様に辺の長さが複数種類ある場合は、最長辺の長さを基準として厚みや対角ギャップ等を設定すればよい。
・本発明の固体撮像素子は、平面視における一部に色フィルタが配置されなくてもよい。例えば、光電変換素子の一部をピント調整等に用いる固体撮像素子等に本発明を適用する場合、フィルタ部においてピント調整に用いる光電変換素子に対応する領域に色フィルタを配置しないといった態様もありうる。
・各色フィルタ間に、迷光を防ぐための隔壁が形成されてもよい。隔壁は、光吸収性隔壁であってもよいし、光反射性隔壁であってもよい。
１０ フィルタ部
１１、１２、１３ 色フィルタ
２０ マイクロレンズ部
２１ マイクロレンズ
１００ 固体撮像素子
１０１ ウェハ基板
ＤＧ 対角ギャップ
ＨＧ 水平ギャップ
ＰＤ 光電変換素子
１１、１２、１３ 色フィルタ
２０ マイクロレンズ部
２１ マイクロレンズ
１００ 固体撮像素子
１０１ ウェハ基板
ＤＧ 対角ギャップ
ＨＧ 水平ギャップ
ＰＤ 光電変換素子
Claims (5)
- 複数の光電変換素子を有するウェハ基板と、
前記ウェハ基板上に形成され、前記光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部と、
非感光性樹脂からなり、前記色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ部と、
を備え、
前記複数のマイクロレンズは、前記色フィルタが配置された矩形の色フィルタ領域の対角方向に隣接する２つのマイクロレンズ間にギャップを有し、かつ前記色フィルタ領域の辺が延びる方向に隣接する２つのマイクロレンズ間にギャップを有して配置されている、
固体撮像素子。 - 前記対角方向に隣接する２つのマイクロレンズの最短距離である対角ギャップが、前記色フィルタ領域の平面視形状における最長辺の３８％以上７０％以下であり、かつ前記色フィルタ領域の辺が延びる方向に隣接する２つのマイクロレンズの最短距離である水平ギャップが、前記色フィルタ領域の平面視形状における最長辺の１４％以上３５％以下である、
請求項１に記載の固体撮像素子。 - 複数の光電変換素子を有するウェハ基板と、
前記ウェハ基板上に形成され、前記光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部と、
非感光性樹脂からなり、前記色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ部と、
を備え、
前記マイクロレンズにおいて、前記色フィルタが配置された矩形の色フィルタ領域の面積に対する前記マイクロレンズの平面視面積の比率であるフィルファクターが、６５％以上７５％以下である、
固体撮像素子。 - 前記マイクロレンズ部の屈折率が１．６以上である、
請求項１または２に記載の固体撮像素子。 - 前記色フィルタ領域は、一辺１．２μｍ以下の正方形である、
請求項１または２に記載の固体撮像素子。
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