JP4367078B2 - カラー固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、カラー固体撮像素子とその製造方法に関する。

デジタルスチルカメラや携帯カメラなどに搭載されるＣＣＤやＣＭＯＳデバイス等の固体撮像素子は、高画素化，高精細化が進み、特にデジタルスチルカメラ用途にあっては銀塩カメラと同等の解像度を得る為に画素数は３００万画素以上であり、画素のサイズは５μｍ以下、特に微細なものは３μｍ程度である。

また、カメラ付き携帯電話用途についても、小型化が進む一方で画素数は増える方向であり、デジタルカメラ同様に画素サイズは５μｍ以下である。

一方、固体撮像素子はその受光素子と一対にカラ−フィルタ−層（色素画素ともいう）を備えカラ−化を図っている。

カラ−フィルタ−を形成するには顔料分散法、染色法、染料分散法などがあるが、主には原色（赤、青、緑）あるいは補色（シアン、マゼンタ、イエロ−）の顔料または染料の色素を透明樹脂中に分散したカラ−レジストを塗布した上でリソグラフィによりパタ−ン形成する方式である。

さらに、各画素に入射する光を可能な限り取り込むためのマイクロレンズを各画素毎に形成し、感度向上を図っている。
特開平３−２３０１０１号公報

ところで、画素サイズが５μｍ以下になってくると感度が著しく低下する。特に、色素画素の開口率や膜厚が感度に与える影響は大きく、例えば、色素画素のエッジ形状にビリツキ（エッジがギザギザ状になること）とノイズの原因になりやすく、膜厚が厚いと斜め光で入射する光に対して遮光となるため、その分感度が落ちるかまたは、混色となる可能性がある。

また、カラーフィルターは前記した様にリソグラフィにて形成されることが一般的であり、露光は位置精度に優れるステッパーを用いることが多いが、カラーフィルターの膜厚が厚いと色素画素剥がれが生じたり、フォーカスマージンが狭まり表面のマクロ的なうねりに対してデフォーカスとなる場合がある。従って、撮像特性と製造特性の両面からカラーフィルターの膜厚は可能な限り薄くした方が良い。

また、カラーフィルターは前記した様に顔料タイプと染料タイプに分けられる。染料タイプは色素である染料が非常に細かいために、ノイズとなる黒キズ（凝集物等による黒欠陥）は少ないが、着色力が低いために膜厚が厚くなる欠点がある。また、耐熱性，耐光性に劣る。

一方、顔料タイプは、色特性や耐熱性，耐光性などの信頼性に優れ、また顔料濃度を調整することで薄膜化を図りやすい特徴がある。反面、顔料粒子が凝集しやすく、黒キズと呼ばれる欠陥を生じやすい欠点がある。

このため、顔料カラーレジストにおいては、凝集した顔料粒子が混入しない様にサブミクロンオーダーでろ過を行うが、カラーフィルターの膜厚が薄い場合には顔料濃度が高くなるために生産性のあるろ過ができない不具合があった。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたもので、５μｍ以下の画素サイズであっても、黒キズとなる凝集物が少なく、形状の良好なカラーフィルターを有するカラー固体撮像素子と、露光マージンに優れ、色素画素剥がれのない生産性の高いカラー固体撮像素子及びその製造方法を提供するものである。

本発明は、この様な問題を解決するために詳細に検討したものであり、複数の受光素子を有する、前記受光素子の部分がすり鉢状に落ち込んだ半導体基板の表面に、受光素子の前記すり鉢状に落ち込んだ部分を埋める透明樹脂層と、前記透明樹脂層上に受光素子と一対に複数色の色素画素からなるカラーフィルター層及び受光素子に集光するマイクロレンズを形成したカラー固体撮像素子において、前記透明樹脂層は、前記受光素子の落ち込んだ部分に一対に対応する厚みが一定の凹状部分と、各前記受光素子を囲む格子状の側壁パターン部分とで形成され、当該透明樹脂層上に、前記凹状部分を埋め込む一定の厚みの中央部と、前記中央部より厚みの薄い画素エッジ部とを有する断面形状が逆凸状の色素画素からなる前記中央部の膜厚を厚くしたカラーフィルター層を有し、前記画素エッジ部を前記マイクロレンズの集光経路を外した位置に設定しており、かつ、前記カラーフィルター層は、凝集した顔料粒子が混入しないようサブミクロンオーダーのろ過精度を有するフィルターにてろ過を行った顔料カラーレジストにて形成し、ノイズやザラツキの少ない撮像特性を有し、かつ、ビリツキのないシャープな形状のカラーフィルターとしていることを特徴とするカラー固体撮像素子としたものである。

従って、本発明のカラー固体撮像素子によれば、前記透明樹脂層の複数色のカラーフィルターが形成された画素中央部を凹状とし、その凹部に本来のカラーフィルター分光特性が得られる膜厚を設定し、エッジ部分を本来のカラーフィルター分光特性よりも薄い膜厚を設定することで、シャープな形状を有する断面形状が逆凸状のカラーフィルターを形成できるため、カラーフィルターのエッジ起因のノイズが大幅に抑制でき、延いては露光フォーカスマージンを確保できる。

また、カラーフィルターの膜厚を精密ろ過ができる顔料濃度で設定できるので、黒キズの少ない良好なカラーフィルターを備えたカラー固体撮像素子を提供できる。

また、本発明は、カラー固体撮像素子の製造方法であって、複数の受光素子を有する半導体基板上に前記受光素子が並ぶ有効画素エリアにおける段差を平坦化する透明樹脂の塗膜を形成し硬化させる工程と、前記透明樹脂の塗膜上にレジストの塗膜を形成し硬化させる工程と、前記レジストを露光・現像して前記受光素子部分を囲む額縁状のパターンを形成する工程と、前記額縁状のパターンをマスクとして前記透明樹脂の塗膜を凹状にドライエッチングすることで、各前記受光素子の上に厚みが一定の凹状部分と、各前記受光素子を囲む部分に前記額縁状のパターンを転写して形成された格子状の側壁パターンと、を有する透明樹脂パターンを形成する工程と、当該透明樹脂パターン上に、前記凹状部分を埋め込む一定の厚みの中央部と、前記中央部より薄い厚みの画素エッジ部とを有する断面形状が逆凸状の色素画素からなるカラーフィルター層を形成する工程と、前記カラーフィルター層上に第２の平坦化層を形成する工程と、前記第２の平坦化層上に前記受光素子部分に対応するマイクロレンズを形成する工程を有することを特徴とする。

従って、本発明のカラー固体撮像素子の製造方法によれば、カラーフィルター形成前にその透明樹脂層の前記複数の受光素子に対応する部分を凹状になるようにエッチングするので、請求項１のカラー固体撮像素子を得ることができる。

本発明のカラ−固体撮像素子では、複数の受光素子を有する半導体基板の表面に、受光素子の凹凸を埋める平坦化層と、平坦化層上に受光素子と一対に複数色の色素画素からなるカラーフィルター層及び受光素子に集光するマイクロレンズを形成したカラー固体撮像素子において、前記平坦化層が受光素子と一対に対応する凹状を有し、その凹状を埋めこむ様にカラーフィルター層を配設した。

したがって、カラーフィルターをある一定の膜厚に設定でき、つまりカラーレジストの色素濃度を薄くできるため、量産性のある精密ろ過が可能になる。これにより、凝集異物の少ないカラーフィルターが得られ、ノイズやザラツキの少ない撮像特性を提供することが可能になる。

また、平坦化層の画素中央を凹状にしカラーフィルターを凹状になった平坦化層に埋めこんでいるので、従来の平坦化層上にカラーフィルターを形成したものよりもレンズ下距離が短く設定できる。これにより感度、スミア特性、シェ−ディング等の撮像特性の向上が図れる。

また、本発明のカラ−固体撮像素子では、色素画素の膜厚を画素中央部をエッジ部より厚くすることにより色素画素剥がれを防止でき、さらにカラーフィルターの解像性が向上し、例えば２μｍサイズの画素であっても、ビリツキのないシャープな形状のカラーフィルターを得ることができる。延いては解像させるカラーフィルターのエッジ膜厚が薄いので、露光フォーカスマージンが広くなり、収率向上につながり、生産効率の高いカラー固体撮像素子の製造方法を提供できる。

以下、本発明によるカラー固体撮像素子の実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態によるカラーフィルタを設ける固体撮像素子の断面を示す説明図である。図２は、図１に示すカラーフィルターの拡大図である。図３は、図１に示すカラーフィルターの平面図である。

まず、本形態によるカラー固体撮像素子は、図１の断面図において、半導体基板１内には、フォトダイオード等より構成された複数の受光素子２を２次元配列してなる受光素子アレイと、図１上では省略しているがCCDによる転送レジスタ部や転送電極部等が形成されている。

また、半導体基板上面には絶縁膜とパッシベーション層が形成されている。この半導体基板の表面において受光素子の部分は図１の通り、すり鉢状に落ち込んでおり、その段差は約１〜２μｍである。そして、このパッシベーション層上に受光素子部分を凹状にくりぬいた形状でアクリル樹脂などの透明樹脂からなる第１の平坦化層３が形成され、その凹状に埋めこむ様に一定の厚みを持たせた、グリーン５、レッド６、ブルー７の色素画素からなるカラーフィルター層が設けられている。

この時、カラーフィルター層の膜厚は、画素サイズやカラーフィルターの分光特性に依存するが、２〜５μｍの画素サイズとした場合、図２に示す画素エッジ部分の膜厚Ｂ１は０．１〜０．７μｍの範囲がカラーフィルターを形成する上では望ましい。

画素中央部分の膜厚Ａ１はおおよそ凹状にくりぬいた厚み分と画素エッジ部分の和となり、一定の厚みを持たせたカラーフィルター層とすることができる。

そして、カラーフィルター層上部には透明樹脂層からなる第２の平坦化層とマイクロレンズ９が形成される。

従来技術においてはカラーフィルターに一定の厚みを持たせた場合、図７、８に示す様にレンズから受光素子までの距離Ｘ（以下、レンズ下距離）が長くなり、感度低下や混色（色シェーディング）などの不具合が生じる可能性があるが、カラーフィルターの下地にあたる第１の平坦化層の画素中央をドライエッチング等でエッチングし、その断面形状を凹状にしカラーフィルターを凹状になった第１の平坦化層に埋めこむ様にすることで従来技術の平坦化層上にカラーフィルターを形成したものよりもレンズ下距離を図２のＣの厚み分だけ薄く形成できる。

さらに、図３に示す様に色素画素のエッジ部と平坦化層を凹状にエッチングし形成された格子状の側壁パターンの側壁上部とを合わせることで色素画素のエッジ部の膜厚Ｂ２は色素画素の中央部の膜厚Ａ２よりも薄くなるので５μｍ画素以下の微細なサイズのカラーフィルターを形成する際に問題であったステッパーのデフォーカスによる色素画素の形状悪化や色特性によりステッパー露光波長の透過率がほとんどないために生じる色素画素剥がれが解決でき、製造マージンが大幅に改善できるので生産効率をあげることができる。また、カラーフィルターに一定の厚みを持たせることができるため、カラーレジストの色素濃度を上げる必要がなくなり、生産性のある精密ろ過ができるのでカラーレジストに含まれる凝集物や異物を除去することができる。

従って、カラーフィルターに色素起因の例えば凝集物などによる欠陥がなくなるため、ノイズが大幅に低減できる。

生産性のある精密ろ過が可能なカラーフィルターの膜厚は、図４に示す標準分光特性の場合、硬化後の膜厚で０．８μｍ以上必要である。

また、露光時のフォーカスマージンは画素サイズやカラーフィルターの膜厚、カラーレジストの解像性にもよるがカラーレジストの膜厚が１μｍの時に３μｍ画素サイズで約±０．５μｍ、２μｍ画素サイズで約±０．３μｍでありカラーレジストの膜厚が０．６μｍの時に３μｍ画素サイズで約±１μｍ、２μｍ画素サイズで約±０．５μｍである。前記したファーカスマージンとは、画素形状が丸くなったり、画素サイズが異常に大きくなったりするフォーカスになるまでの範囲を指し、この値（マージン）は数値の大きい方が良い。

ステッパーのフォーカスはデバイスのマクロ的なうねりをひろう為、フォーカスマージンとして±０．５μｍは必要である。

従って、カラーフィルターの膜厚は、画素エッジ部で０．６μｍ以下、画素中央部は０．９μｍ以上であることが望ましい。

本発明にあるカラーフィルターの断面形状を通常の□状から逆凸状にすることで最も問題になるのは色再現性であるが本来のカラーフィルター分光特性でないカラーフィルター膜厚が薄くなった画素エッジ部分を工夫すれば問題は生じない。つまり、前記画素エッジ部をマイクロレンズの集光経路を外した寸法に設定すれば良い。

以下、本発明のカラー固体撮像素子の製造方法について詳細に説明する。図５、６は本発明のカラー撮像素子の製造方法を示す各工程における断面図である。

図５（ａ）は最表面にパッシベーション層が形成された複数の受光素子２を有する半導体基板１である。本実施例に用いた半導体基板において水平、垂直方向の画素ピッチは３．１μｍ、有効画素領域における最大段差は約１μｍ、受光素子開口幅は約０．８μｍである。

図５（ｂ）はその半導体基板の表層に透明樹脂からなる第１の平坦化層３を形成する工程を示す。第１の平坦化層の形成方法としては、熱硬化剤あるいは光硬化剤を添加したアクリル樹脂などの透明樹脂液をスピンコート法により７００〜３０００ｒｐｍの回転数で塗膜形成した後、ホットプレートやクリーンオーブンで１６０〜２４０℃の範囲で熱硬化させる。透明樹脂が光硬化する場合には、熱処理の前にあるいはかわりに光硬化させても良い。

この第１の平坦化層により、半導体基板上の受光素子が並ぶ有効画素エリアにおける段差を平坦化させる。すなわち、第１の平坦化層の膜厚は画素底部より約１．５μｍであり、上部より０．５μｍである。

図５（ｃ）はその第１の平坦化層上に各受光素子に対しその周囲を囲む様にフォトリソ法等でパターンを形成する工程を示す。第１の平坦化層上に額縁状のパターンを形成する方法としては、市販されているポジ型のレジスト（例えば東京応化製のＡＺ１３５０）をスピンコート法により２３００ｒｐｍの回転数で塗膜形成し、ホットプレート上で７０℃、１分の条件で仮乾燥させた後、ステッパーにより１００ｍｊの露光量により露光し、有機現像液にて約３０secのパドル現像をした後、純水で約１分リンスしパターン形成させる。次いで、ホットプレートにより１６０〜２４０℃の範囲で熱硬化させる。

レジストパターン４の形状は、厚みが０．５μｍであり、画素ピッチ３．１μｍに対し、０．６μｍの線幅とする。従って、額縁状パターンの開口幅は２．５μｍである。

図５（ｄ）はそのパターンをマスクとしてドライエッチング等（図中、矢印）でエッチングする工程を示す。図５（ｃ）で形成した額縁状のパターンをマスクとし、ドライエッチングによりエッチングさせる。

ドライエッチング装置は、平行平板型のものを用い、条件としては、ＣＦ_４とＣ_３Ｆ_３の混合ガスを用いて、基板温度は常温、圧力１Pａ、ＲＦ出力５００Ｗ、バイアス５０Ｗである。この条件で下地平坦層のエッチングレートは、約０．３μｍ／分となる。従って、約２分のドライエッチを実施することで、図５（ｂ）で形成した第１の平坦化層の厚みを約０．６μｍドライエッチさせて、平坦化層を凹状にエッチングし形成された格子状の側壁パターンを得る。得られた凹状の断面形状は画素中央部が約０．６μｍであり、図５（ｃ）で形成した額縁状パターンを転写した形状である。

図６（ｅ）はそのエッチング加工して形成した断面形状が凹状となしている半導体基板の表層に第１のカラーフィルターである。グリーンの色素画素５をフォトリソ法等でパターニングしグリーン画素を形成する工程を示す。グリーンレジストは、あらかじめ０．５μｍのろ過精度のフィルターにてろ過したものを用いる。

グリーン画素を形成する方法としては、グリーンレジストをスピンコート法により１５００ｒｐｍの回転数で塗膜形成し、ホットプレート上で７０℃、１分の条件で仮乾燥させた後、ステッパーにより２００ｍｊの露光量により露光し、有機現像液にて約３０secのスプレ−現像をした後、純水で約１分リンスさせることでパターン形成させる。

次いで、ホットプレートにより１６０〜２４０℃の範囲で熱硬化させる。グリーン画素の膜厚は画素中央部で約１μｍであり、エッジ部で約０．４μｍである。この時のフォーカスは０μｍとしたが、±１．０μｍのフォーカスマージンが得られた。

図６（ｆ）はグリーン同様にレッドの色素画素６をフォトリソ法等でパターニングし、レッド画素を形成する工程を示す。レッドレジストは、あらかじめ０．５μｍのろ過精度のフィルターにてろ過したものを用いる。

レッド画素の中央膜厚はグリーンと同じ１μｍである。露光時のフォーカスマージンは±０．９μｍであった。

図６（ｇ）はグリーン、レッド同様にブルーをフォトリソ法等でパターニングし、ブルーの色素画素７を形成する工程を示す。

ブルーレジストは、あらかじめ０．５μｍのろ過精度のフィルターにてろ過したものを用いる。ブルー画素の中央膜厚はグリーンと同じ１μｍである。

図６（ｈ）はカラーフィルターの表層に第２の平坦化層８を形成する工程を示す。

第２の平坦化層の形成方法は、図５（ｂ）の第１の平坦化層の形成方法と同様に塗布、硬化処理を含む工程である。また、平坦化層の厚みは０．３μｍである。

図６（ｉ）はその平坦化層上にマイクロレンズを各受光素子に対して形成する工程を示す。マイクロレンズの形成方法としては、図６（ｈ）の平坦化層上にポジ型レジスト（例えば東京応化製のＴＭＲ−Ｐ３）を例えば１５００ｒｐｍの条件で塗布し、ホットプレート上で７０℃、１分の条件で仮乾燥させた後、ステッパーにより３００ｍｊの露光量により露光し、有機現像液にて約４０secのパドル現像をした後、純水で約１分リンスさせることでパターン形成させる。

次いで、ホットプレートにより１００〜２４０℃の範囲で熱硬化させるが、その際に表面張力を利用しレンズ形状を得る。

以上の様に本発明のカラー固体撮像素子及びその製造方法によれば、露光時のフォーカスマージンを広く設定でき、また、高解像でビリツキがなく、画素剥がれが無いカラーフィルターを得ることができる。さらに、カラーフィルターの膜厚を、例えば０．９μｍ以上に設定できるので、カラ−レジストの精密ろ過におけるろ過性が大幅に向上し、生産性に優れる。更に、レンズ下距離縮小による撮像素子特性向上につながる。

本発明に係わる固体撮像素子の断面図である。 本発明に係わる固体撮像素子の部分断面図である。 本発明に係わる固体撮像素子の平面図である。 標準分光特性を示すグラフ図である。 本発明に係わる固体撮像素子の製造工程を示す説明図である。 本発明に係わる固体撮像素子の製造工程を示す説明図である。 従来の固体撮像素子の断面図である。 従来の固体撮像素子の部分断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 受光素子
３ 第一の平坦化層
４ レジストパターン
５ グリーンの色素画素
６ レッドの色素画素
７ ブルーの色素画素
８ 第二の平坦化層
９ マイクロレンズ

Claims (2)

1. 複数の受光素子を有する、前記受光素子の部分がすり鉢状に落ち込んだ半導体基板の表面に、受光素子の前記すり鉢状に落ち込んだ部分を埋める透明樹脂層と、前記透明樹脂層上に受光素子と一対に複数色の色素画素からなるカラーフィルター層及び受光素子に集光するマイクロレンズを形成したカラー固体撮像素子において、前記透明樹脂層は、前記受光素子の落ち込んだ部分に一対に対応する厚みが一定の凹状部分と、各前記受光素子を囲む格子状の側壁パターン部分とで形成され、当該透明樹脂層上に、前記凹状部分を埋め込む一定の厚みの中央部と、前記中央部より厚みの薄い画素エッジ部とを有する断面形状が逆凸状の色素画素からなる前記中央部の膜厚を厚くしたカラーフィルター層を有し、前記画素エッジ部を前記マイクロレンズの集光経路を外した位置に設定しており、かつ、前記カラーフィルター層は、凝集した顔料粒子が混入しないようサブミクロンオーダーのろ過精度を有するフィルターにてろ過を行った顔料カラーレジストにて形成し、ノイズやザラツキの少ない撮像特性を有し、かつ、ビリツキのないシャープな形状のカラーフィルターとしていることを特徴とするカラー固体撮像素子。
2. カラー固体撮像素子の製造方法であって、複数の受光素子を有する半導体基板上に前記受光素子が並ぶ有効画素エリアにおける段差を平坦化する透明樹脂の塗膜を形成し硬化させる工程と、前記透明樹脂の塗膜上にレジストの塗膜を形成し硬化させる工程と、前記レジストを露光・現像して前記受光素子部分を囲む額縁状のパターンを形成する工程と、前記額縁状のパターンをマスクとして前記透明樹脂の塗膜を凹状にドライエッチングすることで、各前記受光素子の上に厚みが一定の凹状部分と、各前記受光素子を囲む部分に前記額縁状のパターンを転写して形成された格子状の側壁パターンと、を有する透明樹脂パターンを形成する工程と、当該透明樹脂パターン上に、前記凹状部分を埋め込む一定の厚みの中央部と、前記中央部より薄い厚みの画素エッジ部とを有する断面形状が逆凸状の色素画素からなるカラーフィルター層を形成する工程と、前記カラーフィルター層上に第２の平坦化層を形成する工程と、前記第２の平坦化層上に前記受光素子部分に対応するマイクロレンズを形成する工程を有することを特徴とするカラー固体撮像素子の製造方法。