JP4497076B2

JP4497076B2 - 固体撮像素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP4497076B2
Application number: JP2005299684A
Authority: JP
Inventors: 宏紀大森; 達彦古田; 貴雄田口
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2019-03-17
Also published as: JP2006066931A

Description

本発明はマイクロレンズ付きの固体撮像素子及びその製造方法に関する。

従来、固体撮像素子では、電荷転送部など光電変換に寄与しない領域が各画素に存在しているため、画素面全体に占める受光部の受光面に対する開口率が１５〜３０％程度であり入射光の利用率が十分でないと言う問題がある。このような問題を解消し感度向上を達成するために、半導体プロセスによる受光部以外の領域の微細化する技術や、高エネルギーイオン注入技術を導入して転送レジスタ部の飽和電荷量を高めることにより転送レジスタ部の面積を小さくし受光部面積及び開口面積を大きくする試みがなされているが、これらは固体撮像素子の構造的に限界がある。そこで近年では図２に示すように受光部上部に凸状のマイクロレンズを設け、入射した光を受光部に効率的に集光させ実効開口率を高めたオンチップマイクロレンズを有した撮像素子が提供されている。

さらにカラー固体撮像素子においては、マイクロレンズに加えてカラーフィルタが備えられている。基板表層部に光電変換を行う受光部が複数箇所形成されている撮像素子に、カラーフィルタ及びマイクロレンズを形成する一般的な製造方法は下記の通りである。
（１）受光部の透明樹脂による受光部の穴埋め
（２）受光部の平坦化
（３）カラーフィルタの形成
（４）透明樹脂によるカラーフィルタの平坦化
（５）マイクロレンズの形成

特に（５）マイクロレンズの形成を図面を参照して説明する。図２は従来のマイクロレンズの製造方法である。１は半導体基板、２は受光部、３は電荷転送部、４は下部平坦化層、５はカラーフィルタ、６は遮光膜、７は上部平坦化層である（図２（ａ）参照）。上部平坦化層上にマイクロレンズ形成用レジストを塗布し、従来のフォトリソグラフィー技術によりパターン１２を形成した後（図２（ｂ）参照）、加熱処理を施し、パターンを変形させて受光部上に凸状のマイクロレンズ１３を形成する（図２（ｃ）参照）。

近年、固体撮像素子の高解像度化や小型化に伴い、マイクロレンズを高精細化する必要がある。併せて受光素子の受光面積が小さくなる為、マイクロレンズの集光位置を保ちながらレンズの幅を広げレンズ間の距離をできるだけ小さくすることが望ましい。すなわち図２（ｃ）のマイクロレンズ間スペースをできるだけ小さくすることが望ましい。

しかしながら、このような従来の各受光部に対向する位置に入射光を集光させるマイクロレンズを設けた固体撮像素子では、光電変換有効領域の入射光を効率よく集光するために、マイクロレンズの幅を単位画素ピッチにできるだけ近づけようとすると、加熱時にレンズの膨張（距離の広がり）し、収縮するため、隣接するレンズ１４が融着してくずれ、実効開口率が小さくなり、高い実効感度が得られないという問題点があった（図３参照）。

他方、カラーフィルタに用いられる、Ｒ、Ｇ、Ｂ（原色フィルタ）、または、Ｃ、Ｍ、Ｙ（補色フィルタ）の各色の透過率にはばらつきがあり、それが原因となり良好な色再現性が得られないという問題点があった。

本発明は、マイクロレンズ形成時のレンズ間スペースの制御性に優れ、またレンズ融着によるレンズ未形成部分の発生を抑え、マイクロレンズ形成安定性を高めることにより実効感度の高く、かつ、良好な色再現性が得られる固体撮像素子及びその製造方法の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、半導体基板上に複数の受光部と、該受光部上にカラーフィルタとを備え、その上に少なくともマイクロレンズを形成する固体撮像素子の製造方法であって、複数の受光部の中から市松状に選択された受光部上に、第１のマイクロレンズ用レジストにより第１のパターンを形成した後に前記第１のパターンを加熱処理し第１のマイクロレンズを形成する第一工程、前記第一工程において選択されなかった受光部上に、前記第１のマイクロレンズ用レジストよりも軟化点が高い第２のマイクロレンズ用レジストにより第２のパターンを形成した後に前記第２のパターンを前記第一工程より高い加熱条件で処理し第２のマイクロレンズを形成する第二工程を少なくとも具備することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

請求項２に記載の発明は、半導体基板上に複数の受光部と、該受光部上にカラーフィルタとを備え、その上に少なくともマイクロレンズを形成する固体撮像素子であって、前記マイクロレンズは、複数の受光部の中から市松状に選択された受光部上のマイクロレンズを形成するレジストと、他のマイクロレンズを形成するレジストの軟化点が異なることを特徴とする固体撮像素子である。

以上より明らかなように、請求項１に係る固体撮像素子の製造方法によれば、第一工程により作成されたマイクロレンズは溶融・硬化等により素性が変化し、第二工程においてはほとんど膨張しないため、例え、第一工程と第二工程の加熱条件が同じであってもレンズの融着が起こり難い。

よって、隣接したマイクロレンズ同士が接触し、マイクロレンズ未形成部分の発生を防ぐことができるので、入射光を単位画素ピッチ近傍の幅で有効的に集光し、実効感度を向上させることができる。

請求項２に係る固体撮像素子によれば、例えば、複数の受光部の中から市松状に選択された受光部上のマイクロレンズを形成するレジストの軟化点と、他のマイクロレンズを形成するレジストの軟化点を異ならせた場合は、他のマイクロレンズを形成する工程（第二工程）の加熱条件が複数の受光部の中から市松状に選択された受光部上のマイクロレンズを形成する工程（第一工程）より高いものとなって、更に、レンズの融着が起こり難い。

また、カラーフィルタの色配列が特定の色が市松状に並ぶベイヤー配列、インターライン配列、フィールド色差順次配列、フレームインターリーブ配列を採用し、第一工程で用いるレジストと第二工程で用いるレジストの屈折率（すなわち、集光効率）を異ならせた場合は、各色の感度のばらつきを調整することもできる。

従来技術のように全てのマイクロレンズを同時に作成した場合、各マイクロレンズはそれぞれ膨張するため、隣接するレンズの融着が起こり易いが、請求項１に係わる固体撮像素子の製造方法によれば、第一工程により作成されたマイクロレンズは溶融・硬化等により素性が変化し、第二工程においてはほとんど膨張しないため、例え、第一工程と第二工程の加熱条件が同じであってもレンズの融着が起こり難い。

また、請求項２に係る固体撮像素子によれば、例えば、複数の受光部の中から市松状に選択された受光部上のマイクロレンズを形成するレジストの軟化点と、他のマイクロレンズを形成するレジストの軟化点を異なることすれば、他のマイクロレンズを形成する工程（第二工程）の加熱条件が複数の受光部の中から市松状に選択された受光部上のマイクロレンズを形成する工程（第一工程）より高いものとなってもレンズの融着が起こり難い。また、カラーフィルタの色配列が特定の色が市松状に並ぶベイヤー配列、インターライン配列、フィールド色差順次配列、フレームインターリーブ配列を採用し、第一工程で用いるレジストと第二工程で用いるレジストの屈折率（すなわち、集光効率）を異ならせれば、各色の感度のばらつきを調整することもできる。

［実施例１］
次に本発明について図面を参照にして説明する。図１は本発明の実施例である固体撮像素子の製造工程を示した断面構造及び平面構造の模式図である。本実施例では単位画素ピッチが５．０μｍの固体撮像素子を用いた。図１（ａ）は、固体撮像素子にカラーフィルタを形成した時の固体撮像素子の断面図である。１は半導体基板、２は受光素子、３は電荷転送部、４は下部平坦化層、５はカラーフィルタ、６は遮光膜、７は上部平坦化層であり従来の構成と同じであるため、同一の符号を付けて説明を省略する。

次に、第一工程として、マイクロレンズ用レジストを用い、公知のフォトリソグラフィー法によりマイクロレンズとなるパターン８を形成する（図１（ｂ）参照）。この際、パターンは複数の受光部の中から市松状に選択された受光部のカラーフィルタ上に形成する。本実施例の場合、カラーフィルタの色配列がベイヤー配列を採用するため、Ｒ（赤）、Ｂ（青）の領域が市松状に並ぶので、そのカラーフィルタ上に形成する。次に、１６０℃の加熱処理にてマイクロレンズ１０を形成する（図１（ｃ）参照）。この時のマイクロレンズ用レジストのパターン寸法は４．５μｍ（パターン間スペースは１．０μｍ）で、加熱処理後のレンズ径は４．９μｍである。その後、第二工程として、第一工程において選択されなかった受光部のカラーフィルタ上に前記と同様にパターン９を形成する（図１（ｄ）参照）。本実施例の場合、Ｇ（緑）のカラーフィルタ上に形成することとなる。この時のマイクロレンズ用レジストのパターン寸法は４．５μｍで、加熱処理後のレンズ径は４．９μｍである。これによりレンズ間スペースが０．２μｍのマイクロレンズが高い生産安定性で形成でき、従来法に比べ実効感度が約１０％向上した。

［実施例２］
実施例１と同一の固体撮像素子上に、第一工程として、軟化点が１４０℃のマイクロレンズ用レジストを用い、公知のフォトリソグラフィー法によりマイクロレンズとなるパターン８を形成する。この際、パターンは複数の受光部の中から市松状に選択された受光部のカラーフィルタ上に形成する。本実施例の場合、Ｒ（赤）、Ｂ（青）の領域が市松状に並ぶので、そのカラーフィルタ上に形成する。次に、１５０℃の加熱処理にてマイクロレンズ１０を形成する。この時のマイクロレンズ用レジストのパターン寸法は４．５μｍで、加熱処理後のレンズ径は４．９μｍである。その後、第二工程として、第一工程において選択されなかった受光部のカラーフィルタ上に軟化点が１５０℃のマイクロレンズ用レジストを用い、１６０℃の加熱処理にてパターン９を形成する。本実施例の場合、Ｇ（緑）のカラーフィルタ上に形成することとなる。この時のマイクロレンズ用レジストのパターン寸法は４．５μｍで、加熱処理後のレンズ径は４．９μｍである。これによりレンズ間スペースが０．２μｍのマイクロレンズが高い生産安定性で形成でき、従来法に比べ実効感度が約１０％向上した。

［実施例３］
実施例１と同一の固体撮像素子上に、第一工程として、屈折率が１．５５のマイクロレンズ用レジストを用い、公知のフォトリソグラフィー法によりマイクロレンズとなるパターン８を形成する。この際、パターンは複数の受光部の中から市松状に選択された受光部のカラーフィルタ上に形成する。本実施例の場合、Ｒ（赤）、Ｂ（青）の領域が市松状に並ぶので、そのカラーフィルタ上に形成する。次に、１６０℃の加熱処理にてマイクロレンズ１０を形成する。この時のマイクロレンズ用レジストのパターン寸法は４．５μｍで、加熱処理後のレンズ径は４．９μｍである。その後、第二工程として、第一工程において選択されなかった受光部のカラーフィルタ上に屈折率が１．５７のマイクロレンズ用レジストを用い、１６０℃の加熱処理にてパターン９を形成する。本実施例の場合、Ｇ（緑）のカラーフィルタ上に形成することとなる。この時のマイクロレンズ用レジストのパターン寸法は４．５μｍで、加熱処理後のレンズ径は４．９μｍである。これによりレンズ間スペースが０．２μｍのマイクロレンズが高い生産安定性で形成でき、従来法に比べ色再現性が約１０％向上した。

［比較例］
実施例１と同一の固体撮像素子上に実施例１と同一のマイクロレンズ用レジストを塗布し、公知のフォトリソグラフィー法により全てのパターンを形成する。この時のパターンニング寸法は４．５μｍ（パターン間スペースは１．０μｍ）である。その後加熱処理により、マイクロレンズを形成したところ、図３のようにレンズの融着が多く、生産安定性が低かった。

本発明の実施例の固体撮像素子の製造工程を示した断面構造の説明図である。従来の固体撮像素子の製造工程を示した断面構造の説明図である。融着したマイクロレンズの説明図である。

符号の説明

１半導体基板
２受光部
３電荷転送部
４下部平坦化層
５カラーフィルタ
６遮光層
７上部平坦化層
８第一工程で形成されたパターン
９第二工程で形成されたパターン
１０第一工程で形成されたマイクロレンズ
１１第二工程で形成されたマイクロレンズ
１２パターン
１３マイクロレンズ
１４融着したマイクロレンズ

Claims

半導体基板上に複数の受光部と、該受光部上にカラーフィルタとを備え、その上に少なくともマイクロレンズを形成する固体撮像素子の製造方法であって、複数の受光部の中から市松状に選択された受光部上に、第１のマイクロレンズ用レジストにより第１のパターンを形成した後に前記第１のパターンを加熱処理し第１のマイクロレンズを形成する第一工程、前記第一工程において選択されなかった受光部上に、前記第１のマイクロレンズ用レジストよりも軟化点が高い第２のマイクロレンズ用レジストにより第２のパターンを形成した後に前記第２のパターンを前記第一工程より高い加熱条件で処理し第２のマイクロレンズを形成する第二工程を少なくとも具備することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
半導体基板上に複数の受光部と、該受光部上にカラーフィルタとを備え、その上に少なくともマイクロレンズを形成する固体撮像素子であって、前記マイクロレンズは、複数の受光部の中から市松状に選択された受光部上のマイクロレンズを形成するレジストと、他のマイクロレンズを形成するレジストの軟化点が異なることを特徴とする固体撮像素子。