JP4547894B2

JP4547894B2 - 固体撮像素子の製造方法

Info

Publication number: JP4547894B2
Application number: JP2003379584A
Authority: JP
Inventors: 啓介緒方; 健蔵福吉; 智史北村
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2023-11-10
Also published as: JP2005142468A

Description

本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどのマイクロレンズ及びカラーフィルタを有する固体撮像素子の製造方法に関する。

デジタルカメラ等に搭載されるＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子は、デバイス基板の受光部上に、対応する色のカラーフィルタを有し、色分解を行っている。カラーフィルタの形成は、カラーレジストをフォトリソグラフィーによりパターンする手法により行わ
れる。

また、近年、固体撮像素子への高画素化、微細化の要求が増大しており、微細なものでは３μｍ×３μｍを下回るレベルの画素サイズとなっている。固体撮像素子の受光部（光電変換に寄与する領域）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％程度に限られており、開口部が小さいことはそのまま感度低下につながる。これを補うため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。

しかしながら、従来のマイクロレンズ構造では、開口率が十分ではなく、感度が悪い、また、フレア、スミアなどのノイズ増加による画質低下が大きな問題となってきている。そこで、マイクロレンズからの入射光の集光性を向上させ、かつ、光電変換素子でのＳ／Ｎ比を向上させるためには、レンズ下距離（マイクロレンズと受光部の距離）を小さく（薄く）することが好ましい。

マイクロレンズの下地層には第二平坦化層があり、カラーフィルタの厚みの差を平坦化している（特許文献１参照）。近時開発されている３μｍ以下の微細画素を持つ固体撮像素子においては０．２μｍ以下、さらには０．１μｍ以下の狭いレンズ間寸法のマイクロレンズを高精度で作製しなければならない。しかしながら、カラーフィルタの膜厚差が大きい場合、第二平坦化層の膜厚を厚く形成しなければ平坦化できないため、マイクロレンズからの入射光の集光性が悪化して、Ｓ／Ｎ比を低下させてしまう。また、膜厚差が大きい場合、第二平坦化層の厚みを薄くすると十分な平坦度が得られないため、マイクロレンズ形状が悪化して、狭いレンズ間寸法のマイクロレンズを高精度で作製することが出来ない。よって、この場合についてもマイクロレンズ形状の悪化に伴う集光性の悪化、Ｓ／Ｎ比の低下につながる。

また、近時撮像素子は携帯電話のような小型機器に搭載されるようになってきたが、この携帯電話向け撮像素子モジュールでは、従来と比較して広い取り込み角が要求されている（図１、２）。同時に前記したような理由でマイクロレンズ下から受光素子までの距離（レンズ下距離）を小さくする必要がある。

更に、レンズ下距離を小さくする方法としてマイクロレンズを母型とし、その形状を第二平坦化層やカラーフィルタに転写させ第二平坦化層とカラーフィルタの２層構成のマイクロレンズとする技術が提案されている。このとき、特に色材として有機顔料を用いた場合に顕著となるが、深いエッチングを行われたカラーフィルタ（他の部分より厚い部分）は表面あれが生じやすくなるため、その粗面となったカラーフィルタをレンズの一部として用いることが出来なくなる不具合があった（図４）。

更にまた、原色系の赤、補色系のマゼンタは図５、６に示すように形状が悪く、１色目に入色すると２色目以降の色への混色が起きる可能性があった。
特開２００３−２１８３３６号公報

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであって、マイクロレンズの集光性を向上させたレンズ下距離の小さく（薄く）、高精細で感度及び分光特性の良好な固体撮像素子の製造方法を提供する。

本発明は上述の課題を解決するために詳細に検討したものであり、本発明は、受光部を有するデバイス基板上に、第一平坦化層、複数色のカラーフィルタ、第二平坦化層、マイクロレンズを順次積層する構成の固体撮像素子の製造方法において、１）受光部を有するデバイス基板上に、樹脂を塗布しベークすることで第一平坦化層を形成する工程、２）前記第一平坦化層上に感光性のカラーレジストを用いてフォトリソグラフィによりＲ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタを、膜厚が最も厚いフィルタと最も薄いフィルタとの膜厚の差を０．１５μｍ以下に形成する工程、３）前記カラーフィルタ上に、樹脂を塗布し硬化させることで第二平坦化層を形成する工程、４）前記第二平坦化層上に樹脂による半球状のレンズ母型を形成する工程、５）ドライエッチングにより前記レンズ母型の形状を前記第二平坦
化層と前記カラーフィルタとに転写し、前記第二平坦化層と前記カラーフィルタとをレンズ面の一部とした２層構成のマイクロレンズを形成する工程、を具備する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。

また、本発明は、複数色のカラーフィルタの最終入色を赤とすることを特徴とする上記の固体撮像素子の製造方法としたものである。

以上のように本発明によれば、マイクロレンズのレンズ下が小さい（薄い）、高精細で感度が良好な固体撮像素子を提供することができる。また、薄膜化されたカラーフィルタを形成した場合に、膜厚バラツキが少なく分光バラツキの少ない固体撮像素子が作製できる。更には、カラーフィルタの厚みの差が小さいことで、斜め光の入射が低減された、ノイズの小さな固体撮像素子を提供することができる。また、カラーフィルタの厚みの差が小さいことでマイクロレンズの形状がカラーフィルタの厚みの差から受ける悪影響を被らず、集光効率が高く、Ｓ／Ｎ比が良好な、かつ感度の良好な固体撮像素子を提供することができる。

また、パターン形状の良好な色（原色系においては緑、青、補色系についてはシアン、イエロー）を先に形成することにより形状の悪い赤やマゼンタの画質に与える影響を減少させることができる。

固体撮像素子の高精細化に伴い、この高精細な固体撮像素子に付随するマイクロレンズの開口率低下（すなわち感度低下）、及びフレア、スミアなどのノイズ増加による画質低下が大きな問題となってきている。この感度低下を防ぐ有効な手だてとしてレンズ下距離を小さく（薄く）することが考えられる。しかしながらこのとき、第二平坦化層についてはカラーフィルタの厚みの差を平坦化する機能を有しており、第二平坦化層の膜厚を薄くするときちんと平坦化できずにマイクロレンズ形状が悪化する不具合が発生する。これを解決するために、カラーフィルタの厚みの差が０．１５μｍ以下と限定した。

すなわち、カラーフィルタの膜厚差が０．１５μｍ以上であると（図３(a)）、平坦化がうまく出来ずにマイクロレンズ形状が悪化し、集光性が悪くなる（０．１５μｍ未満を図３(b)に示す）。あるいは、マイクロレンズ形状を良好に作製するためには十分な平坦化が必要になり、０．１５μｍ以上であると（図３(c)）、第二平坦化層の膜厚が厚くなり感度低下を防ぐ有効な手だてである、レンズ下距離を小さくすることが出来ない（０．１５μｍ未満を図３(d)に示す）。更に、０．１５μｍ以上であると（図３（e））、広い取り込み角起因の斜め入射光の影響が大きくなり、混色が発生して大きな画質低下につながる可能性がある。しかしながら、０．１５μｍ未満のカラーフィルタの膜厚差であれば、混色が起きず画質の低下も起きない（図３（f））。

更にレンズ下距離を小さくする方法としてマイクロレンズ形状の母型を作成し、その形状を第二平坦化層やカラーフィルタに転写させ第二平坦化層とカラーフィルタの２層構成のマイクロレンズとする技術が提案されているが、カラーフィルタに厚みの差がある場合
、特に色材として有機顔料を用いた場合に顕著になるが、深いエッチングを行われたカラーフィルタは表面あれが生じやすくなるため、その粗面となったカラーフィルタをレンズの一部として用いることが出来なくなり、感度低下を招く不具合があった。これを解決するために、マイクロレンズのカラーフィルタの厚みの差が０．１５μｍ以下とした。

カラーフィルタの厚みの差が０．１５μｍを超える場合、エッチングされたカラーフィルタ表面のあれが大きくなり、カラーフィルタをマイクロレンズの一部とすることが出来ない。これに対し、カラーフィルタの厚みの差を０．１５μｍ以下とした場合、カラーフィルタのあれを防止することが可能となり、カラーフィルタをマイクロレンズの一部とすることが可能である。これらを実施するための手法としては主成分である樹脂の低分子量化や界面活性剤の添加などが挙げられるが、その手法には特に限られるものではない。なお、厚みの差についてはできる限り小さい方が良好な結果が得られる。

また、原色系において赤が最も形状が悪く（図５）、このことにより感度の低下が起こる不具合があった。これを解決するために原色系では形状の良好な緑、青を入色した後、赤を入色することで、形状の悪化を防止して感度の低下を防ぐことができる。

更に補色系においてはマゼンタが最も形状が悪く（図６）、このことにより感度の低下が起こる不具合があった。これを解決するために補色系では形状の良好なイエロー、シアンを入色した後、マゼンタを入色することで、形状の悪化を防止して感度の低下を防ぐことができる。

以下、図面を用いて実施例を詳細に説明する。

[参考例]
図７に参考例である固体撮像素子の断面図を示す。

受光部を有するデバイス基板上に富士薬品（株）製の樹脂（ＴＰ−１０）を用いてスピンコ−トにより２０００ｒｐｍで塗布し、その後ホットプレートにより２３０℃で６分のベークを実施し、第一平坦化層２とした（図８）。

続いて第一平坦化層２上に感光性のカラーレジストを用いてフォトリソグラフィによりＹ、Ｍ、Ｃのカラーフィルタを形成した（図９）。入色の順序はMagentaの形状悪化を防止するためにYellow、Cyan、Magentaの順に行った。カラーフィルタ３の膜厚はYellow＝０．９２μｍ、Cyan＝０．８８μｍ、Magenta＝０．８０μｍである（厚みの差０．１２μｍ）。

さらにカラーフィルタ３上に富士薬品（株）製の樹脂（TOC−１）を用いて塗布回転数1000rpmによりスピンコートで塗布し、ホットプレートにて２３０℃で６分の熱処理を施して樹脂を硬化し、第二平坦化層４を形成した（図１０）。

最後に第二平坦化層４上に、マイクロレンズ用の感光性樹脂を全面に塗布し、パターン露光及び現像を行い、略直方体形状に加工した後、加熱により半球状とする、いわゆる熱フロー法によりマイクロレンズ５を形成して固体撮像素子を作製した（図１１）。

上記、カラーフィルタ層には平均分子量１００００程度のアクリル樹脂とシクロヘキサノンやPGMEAなどの混合溶剤とともにカラーインデックスにてY：C.I.PY150、C：C.I.PB15:6、M：C.I.PR Rhodamineの顔料を添加しており、それぞれの顔料濃度はY：２０wt％、M：１５wt％、Ｃ：１３wt％であるアクリル感光系レジストを用いている。また、Magenta
の形状を良好にするために最終色として入色した。

本参考例においては、カラーフィルタの主樹脂としてアクリル系の樹脂を用いたが、特にアクリル系樹脂に限られるものではなくエポキシ系、ポリイミド系、フェノールノボラック系などの他の樹脂を一もしくは複数含んだ樹脂を用いてもよい。また、今回は厚みの差のないカラーフィルタを作製するために分子量約１００００程度の低分子量樹脂を用いたが、界面活性剤などの添加剤の添加により厚みの差が０．１５μｍ以下のカラーフィルタを形成してもよい。また、塗布条件などプロセス条件によって厚みの差が０．１５μｍ以下のカラーフィルタを作製してもよい。

更に色材としてY：C.I.PY150、C：C.I.PB15:6、M：C.I.PR Rhodamineの顔料を用いたが、アゾ染料、アゾ金属錯塩染料、アントラキノン染料、インジゴ染料、チオインジゴ染料、フタロシアニン染料、ジフェニルメタン染料、トリフェニルメタン染料、キサンテン染料、チアジン染料、カチオン染料、シアニン染料、ニトロ染料、キノリン染料、ナフトキノン染料、オキサジン染料などの染料やアゾ系、フタロシアニン系、インジゴ系、アントラキノン系、ジオキサジン系、キナクリドン系、イソインドリノン系、フタロン系、メチン系、アゾメチン系、金属錯体系もしくは縮合多環系等のカラーインデックスに記載されたC.I.Pigment Colour等の有機顔料やミロリブルー、酸化鉄、コバルト紫、マンガン紫、群青、紺青、コバルトブルー、セルリアンブルー、ピリアジン、エメラルドグリーン、コバルトグリーンなどの無機顔料を用いてもよい。

これにより第二平坦化層が薄くマイクロレンズ形状の良好となり感度の良好な固体撮像素子を提供することができる。

[実施例１]
図１４に本発明の一実施例である固体撮像素子の断面図を示す。

受光部を有するデバイス基板上に富士薬品（株）製の樹脂（ＴＰ−１０）を用いてスピンコ−トにより2000rpmで塗布し、その後ホットプレートにより２３０℃で６分のベークを実施し、第一平坦化層２とした（図８）。

続いて第一平坦化層２上に感光性のカラーレジストを用いてフォトリソグラフィによりＲ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタを形成した（図９）。カラーフィルタ３の膜厚はGreen＝０．９５μｍ、Red＝０．９２μｍ、Blue＝０．８８μｍである（厚みの差０．０７μｍ）。

さらにカラーフィルタ３上にフェノール系熱硬化型樹脂を用いて塗布回転数2000rpmによりスピンコートで塗布し、ホットプレートにて２００℃で６分の熱処理を施して樹脂を硬化し、第二平坦化層４を形成した（図１０）。

続けて第二平坦化層４上に、レンズ母型用の感光性樹脂を全面に塗布し、パターン露光及び現像を行い、略直方体形状に加工した後、加熱により半球状とする、いわゆる熱フロー法によりレンズ母型６を形成した（図１２）。

以上によって作製したものについてドライエッチング装置によりＲＦ８０Ｗ、Bias１０Ｗ、圧力０．３Ｐａ、ガス種ＣＦ４、ガス流量１００ｓｃｃｍ、エッチング時間２５０secの条件によりレンズ母型の形状を第二平坦化層４、カラーフィルタ３に転写し、第二平坦化層４（マイクロレンズ５上層）、カラーフィルタ３ｂ（マイクロレンズ５下層）の２層構成であるマイクロレンズ５を有する固体撮像素子を作製した（図１３）。なお、図１３においてマイクロレンズを構成していない部分のカラーフィルタを３ａ、マイクロレン
ズを構成している部分のカラーフィルタを３ｂで示した。

上記、カラーフィルタには平均分子量１００００程度のアクリル樹脂とシクロヘキサノンやPGMEAなどの混合溶剤とともにカラーインデックスにてＧ：C.I.AG１６、Ｒ：C.I.AR１１４、Ｂ：C.I.AB86の染料を用いており、それぞれの染料濃度はＧ：４０wt％、Ｒ：４５wt％、Ｂ：４０wt％であるアクリル感光系レジストを用いている。また、Redの形状を良好にするために最終色として入色した。

本実施例１においてはカラーフィルタの主樹脂としてアクリル系の樹脂を用いたが、特にアクリル系樹脂に限られるものではなくエポキシ系、ポリイミド系、フェノールノボラック系などの他の樹脂を一もしくは複数含んだ樹脂を用いてもよい。また、今回は厚みの差のないカラーフィルタを作製するために分子量約１００００程度の低分子量樹脂を用いたが、界面活性剤などの添加剤の添加により厚みの差が０．１５μｍ以下のカラーフィルタを形成してもよい。塗布条件などプロセス条件によって厚みの差が０．１５μｍ以下のカラーフィルタを作製してもよい。

更に色材としてC.I.AG１６、C.I.AR１１４、C.I.AB86の染料を用いたが、アゾ染料、アゾ金属錯塩染料、アントラキノン染料、インジゴ染料、チオインジゴ染料、フタロシアニン染料、ジフェニルメタン染料、トリフェニルメタン染料、キサンテン染料、チアジン染料、カチオン染料、シアニン染料、ニトロ染料、キノリン染料、ナフトキノン染料、オキサジン染料などのその他の染料やアゾ系、フタロシアニン系、インジゴ系、アントラキノン系、ジオキサジン系、キナクリドン系、イソインドリノン系、フタロン系、メチン系、アゾメチン系、金属錯体系もしくは縮合多環系等の、カラーインデックスに記載されたC.I.Pigment Colour等の有機顔料やミロリブルー、酸化鉄、コバルト紫、マンガン紫、群青、紺青、コバルトブルー、セルリアンブルー、ピリアジン、エメラルドグリーン、コバルトグリーンなどの無機顔料を用いてもよい。

これにより、マイクロレンズ下距離が短くなり、感度の良好な固体撮像素子を提供することができる。
［比較例１］
受光部を有するデバイス基板上に富士薬品（株）製の樹脂（ＴＰ−１０）を用いてスピンコ−トにより２０００ｒｐｍで塗布し、その後ホットプレートにより２３０℃で６分のベークを実施し、第一平坦化層２とした（図８）。

続いて第一平坦化層２上に感光性のカラーレジストを用いてフォトリソグラフィによりＹ、Ｍ、Ｃのカラーフィルタを形成した（図９）。カラーフィルタ３の膜厚はYellow＝１．００μｍ、Cyan＝０．８８μｍ、Magenta＝０．８０μｍである（厚みの差０．２０μｍ）。

最後に第二平坦化層４上にいわゆる熱フロー法によりマイクロレンズ５を形成して固体撮像素子を作製した（図１１）。

このとき、カラーフィルタの厚みの差が大きく、第２平坦化層形成後も０．１μｍ以上の段差があるため、マイクロレンズが良好に形成されず融着を起こしている。このため、良好な集光効果が得られない（図３(a)）。
［比較例２］
受光部を有するデバイス基板上に富士薬品（株）製の樹脂（ＴＰ−１０）を用いてスピンコ−トにより２０００ｒｐｍで塗布し、その後ホットプレートにより２３０℃で６分のベークを実施し、第一平坦化層２とした（図８）。

さらにカラーフィルタ３上に富士薬品（株）製の樹脂（TOC−１）を用いて塗布回転数500rpmによりスピンコートで塗布し、ホットプレートにて２３０℃で６分の熱処理を施して樹脂を硬化し、第二平坦化層４を形成した（図１０）。

このとき、カラーフィルタの厚みの差が大きく、第二平坦化層形成後に０．１μｍ以下の段差にしてマイクロレンズを良好に形成するため、第二平坦化層の膜厚を厚く形成しなければならず、感度向上のための薄膜化が達成できなかった（図３(c)）。

従来、固体撮像素子に要求されていた取り込み角の説明図である。将来、固体撮像素子に要求される取り込み角の説明図である。カラーフィルタの膜厚差の説明図である。粗面となったカラーフィルタを示す図面代用写真である。カラーフィルタを示す図面代用写真である。カラーフィルタを示す図面代用写真である。本発明に係わる固体撮像素子の実施例を示す断面説明図である。固体撮像素子の製造工程を示す断面説明図である。固体撮像素子の製造工程を示す断面説明図である。固体撮像素子の製造工程を示す断面説明図である。固体撮像素子の製造工程を示す断面説明図である。固体撮像素子の製造工程を示す断面説明図である。固体撮像素子の製造工程を示す断面説明図である。本発明に係わる固体撮像素子の実施例を示す断面説明図である。

１…デバイス基板
２…第一平坦化層
３…カラーフィルタ
４…第二平坦化層
５…マイクロレンズ
６…レンズ母型

Claims

受光部を有するデバイス基板上に、第一平坦化層、複数色のカラーフィルタ、第二平坦化層、マイクロレンズを順次積層する構成の固体撮像素子の製造方法において、
１）受光部を有するデバイス基板上に、樹脂を塗布しベークすることで第一平坦化層を形成する工程、
２）前記第一平坦化層上に感光性のカラーレジストを用いてフォトリソグラフィによりＲ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタを、膜厚が最も厚いフィルタと最も薄いフィルタとの膜厚の差を０．１５μｍ以下に形成する工程、
３）前記カラーフィルタ上に、樹脂を塗布し硬化させることで第二平坦化層を形成する工程、
４）前記第二平坦化層上に樹脂による半球状のレンズ母型を形成する工程、
５）ドライエッチングにより前記レンズ母型の形状を前記第二平坦化層と前記カラーフィルタとに転写し、前記第二平坦化層と前記カラーフィルタとをレンズ面の一部とした２層構成のマイクロレンズを形成する工程、
を具備することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
複数色のカラーフィルタの最終入色を赤とすることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子の製造方法。