JP4623641B2 - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、オンチップカラーフィルタを有する固体撮像装置及びその製造方法に関するものである。
近年、画像のカラー化の進展に伴い、単板カラー型の固体撮像装置は成長が著しい。例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）型を中心するデジタルスチルカメラ用の固体撮像装置及びＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor ）型を中心とするカメラ付き携帯電話用の固体撮像装置等である。このため、オンチップカラーフィルタを有する固体撮像装置に対する小型化及び高画素化の要求も、日増しに増大してきている。
しかし、固体撮像装置に対するこのような要求は、受光センサ部である光電変換素子の受光面積を縮小させる結果となり、固体撮像装置の主要特性である光電変換特性（光感度）を低下させる一因となりつつある。更に、光電変換素子上に形成されるカラーフィルタ層も縮小されるため、従来技術では、薄膜化、カラーフィルタ層の微細化及び寸法精度が追随できなくなって来ている。このため、カラー撮像装置の特性である混色、色ムラ、ライン濃淡及び黒色欠陥等の、カラーフィルタ層に起因する特性を低下させることとなっている。
例えば、デジタルスチルカメラに搭載される固体撮像装置の光学サイズは１／３インチから１／４インチに主流が移行しつつあり、更に１／６インチ以降の検討もなされている。また、画素数も３００万画素から５００万画素へと移行しつつあり、更に６００万画素以上の検討もなされている。
こうした受光面積の縮小化及び高画素化が進んだ固体撮像装置においても、固体撮像装置の主要特性である光感度、隣接画素との混色、色ムラ、ライン濃淡及び黒色欠陥等の特性を低下させることのない、新しい技術の確立が必要となって来ている。
つまり、画素サイズを縮小せることなく画素数のみを増加させれば、チップサイズの増大を招き、固体撮像装置が大きくなる。このため、画素サイズの縮小も平行して実施しなければ小型化及び高画素化を両立させることはできない。ここで、一般に、画素サイズを縮小するとフォトダイオードに代表される光電変換素子も縮小されるため、光感度の低下は逃れられない。そこで、光感度を向上させるために、多くの対策が施され、特に、画素上に形成するマイクロレンズに関しては、構造、製造方法共、多くの提案がなされている。
また、画素サイズの縮小（微細化）は、光感度の低下だけではなく、カラーフィルタ層に起因する様々な色特性も悪化させる要因となる。つまり、一般に、画素サイズの微細化に伴ってカラーフィルタ層の寸法精度が悪化するため、隣接画素からの混色、ライン濃淡、光感度バラツキ及び色ムラ等の特性が悪化する。
従来、カラーフィルタ層は、染色型と呼ばれる材料を用いて形成されてきた。これは、ゼラチン、カゼイン又はポリビニルアルコール等の水溶性ポリマーに対し、クロム酸塩又は重クロム酸塩等の感光性のある架橋剤を混合した感光性材料であり、酸性染料等を用いて染色される。染色型の材料によってカラーフィルタ層を形成するためには、まず、感光性材料を用いて塗布、露光及び現像を行ない、パターンを形成する。次に、酸性染料等を用いて染色した後、アクリル膜等による防染層を設けてカラーフィルタ層とする。また、防染層を設けるのに代えて、染色した感光材料からなる膜についてタンニン酸等を用いた防染処理を行なうことにより、カラーフィルタ層とすることもできる。
現在では、染色型の材料に代えて、顔料分散型と呼ばれる材料を用いたカラーフィルタ層が主に使用されるようになっている。これは、バインダー樹脂に顔料を分散させると共に架橋剤を添加して感光性を有するようにした材料である。顔料分散型の材料によると、一般に使用されているレジスト等と同様の塗布、露光及び現像の処理によってパターン形成し、カラーフィルタ層を形成することができる。このような顔料分散型の材料によるカラーフィルタ層は、従来よりも薄膜化が可能であり、耐熱性、耐光性及び耐薬品性に優れ、且つ製造工程が簡略化できる。
染色型のカラーフィルタ層と顔料分散型のカラーフィルタ層を比較すると、染色型のカラーフィルタ層は、次のような特徴を有する。
まず、利点として、染料の種類が豊富なため、分光特性に対する自由度が大きい。また、染料自体は粒子状ではないため、カラーフィルタ層として使用した場合、黒色欠陥の発生が少ない。
次に、欠点として、所望の分光特性を得るためには通常は膜厚を厚くする必要があるため、解像性が悪くなり微細なパターン形成には不利となる。また、耐久性（耐光性、耐熱性及び耐薬品性等）について、顔料分散型に比べて劣る。更に、染色工程及び防染工程が必要であるため、処理工程が長くなると共に、濃度、温度、ｐＨ及び時間等の分光特性が変動する要因が多い。
染色型のカラーフィルタが有する欠点を解決することを目的の一つとして、現在では主に顔料分散型のカラーフィルタ層が用いられるようになっている。しかし、分光特性を決める色素が粒子状であるため、画素サイズの微細化に伴い、染色型のカラーフィルタよりも劣る点である、黒点欠陥の多さが無視できなくなって来た。
そこで、顔料分散型のカラーフィルタ層に関する黒色欠陥を改善することを目的として、染料内添型と呼ばれる材料が提案され、一部では実用化され始めている。これは、バインダー樹脂に染料を含ませると共に架橋剤を添加し、感光性を有するようにした材料である。
染料内添型のカラーフィルタ層を用いると、黒色欠陥を改善可能であるのに加えて、製造には染色及び防染の工程を要しないため、顔料分散型のカラーフィルタ層と同様の工程によって形成できる。しかし、顔料分散型のカラーフィルタ層と比較すると、薄膜化の容易性及び耐久性（耐光性、耐熱性及び耐薬品性等）においては劣る。
以上のように、固体撮像装置におけるオンチップカラーフィルタ層の重要性は益々高まっており、混色、ライン濃淡、色ムラ及び黒色欠陥等の種々の特性を満足する技術の確立が要望されている。従来の固体撮像装置においては、それぞれの用途に応じ、染色型、顔料分散型又は染料内添型の各カラーフィルタ層が使用されている。しかし、いずれの材料においても、全ての特性を満足させるカラーフィルタ層材料は存在しなかった。
そこで、各材料の欠点を補う検討がなされている。例えば、染色型のカラーフィルタ層を第１のカラーフィルタ層として形成し、第１のカラーフィルタ層上に顔料分散型のカラーフィルタ層を第２のカラーフィルタ層として形成する方法が紹介されている。このような構成の積層カラーフィルタを有する従来の固体撮像装置１０について、以下に説明する。
図６は、従来の固体撮像装置１０について、光電変換素子及びその周辺の構成を模式的に示す断面図である。
固体撮像装置１０は、例えば、Ｎ型半導体基板１１を用いて形成される。Ｎ型半導体基板１１上にはＰ型ウェル層１２が形成され、Ｐ型ウェル層１２上に、Ｎ型の半導体層として、光電変換を行なう光電変換素子１３が複数形成されている。
また、Ｐ型ウェル層１２及び光電変換素子１３を覆うゲート絶縁膜１４が形成され、ゲート絶縁膜１４を介してＰ型ウェル層１２上における光電変換素子１３の間に位置する領域に、信号の転送を行なう転送電極１５が形成されている。
また、転送電極１５を覆うように層間絶縁膜１６が形成され、更に、層間絶縁膜１６を覆うように、転送電極１５等に対する光の入射を防ぐための遮光膜１７が形成されている。
また、ゲート絶縁膜１４及び遮光膜１７等を覆う表面保護膜１８が形成され、更に、第１の透明平坦化膜２１ａによって、転送電極１５等の存在により生じている凹凸が平坦化されている。
また、第１の透明平坦化膜２１ａ上には、第１のカラーフィルタ層１９が形成されている。ここで、第１のカラーフィルタ層１９としては、画素ごとに所定の色を有する第１のカラーフィルタ層１９として形成される。例えば、第１の緑色カラーフィルタ層１９Ｇ、第１の青色カラーフィルタ層１９Ｂ及び第１の赤色カラーフィルタ層１９Ｒとして形成される。
また、第１のカラーフィルタ層１９上には、第２のカラーフィルタ層２０が形成されている。ここで、第２のカラーフィルタ層２０としても、画素ごとに所定の色を有するカラーフィルタ層、例えば第２の緑色カラーフィルタ層２０Ｇ、第２の青色カラーフィルタ層２０Ｂ及び第３の赤色カラーフィルタ層２０Ｒとして形成されている。尚、第１のカラーフィルタ層１９及び第２のカラーフィルタ層２０について、それぞれ同じ画素に対しては同じ色のカラーフィルタ層が形成されている。
また、第２のカラーフィルタ層２０上に、第２の透明平坦化膜２１ｂが形成され、表面を平坦化している。更に、第２の透明平坦化膜２１ｂ上に、画素ごとにオンチップのマイクロレンズ２２が形成され、集光効率を向上させるようになっている。
固体撮像装置１０において、第１のカラーフィルタ層１９は染色型のカラーフィルタ層であり、第２のカラーフィルタ層２０は顔料分散型のカラーフィルタ層である。このような構成とすることにより、染色型のカラーフィルタ層が有する欠点である耐熱性、耐光性及び耐薬品性等は、顔料分散型のカラーフィルタ層が積層されていることにより改善されている。
特開平５−１１９２１１号公報
しかしながら、従来の技術においては、次のような課題があった。
固体撮像装置１０において、染色型のカラーフィルタ層である第１のカラーフィルタ層１９は、染色型の材料の塗布、露光及び現像を行なってパターン形成した後、染色処理及び防染処理を施すことによって形成する。更に、顔料分散型のカラーフィルタ層である第２のカラーフィルタ層２０は、第１のカラーフィルタ層１９上に顔料分散型の材料の塗布、露光及び現像を行なってパターン形成することにより形成する。
このように、塗布、露光及び現像の工程を二度繰り返す（二層のカラーフィルタ層について個別に行なう）ことになる。ここで、第１のカラーフィルタ層１９及び第２のカラーフィルタ層２０について、現像に使用する現像液が異なっている。具体的に例示すると、染色型カラーフィルタ層の現像液は純水であり、顔料分散型カラーフィルタ層の現像液は有機アルカリ水溶液である。
このように、二度の露光等を行なうことから、マスク合わせのズレが発生しやすく、カラーフィルタ層として望ましい精度のパターン形成を行なうのが難しくなっている。つまり、二層のカラーフィルタ層がズレて形成されやすい。この結果として、色ムラ、ライン濃淡、隣接画素からの混色等の課題は十分には解決されていない。
ここで、図６に示す固体撮像装置１０においても、第１のカラーフィルタ層１９と第２のカラーフィルタ層２０とは、色の境界がずれて形成されている。例えば、第１の緑色カラーフィルタ層１９Ｇと第１の青色カラーフィルタ層１９Ｂとの境界は、第２の緑色カラーフィルタ層２０Ｇと第２の青色カラーフィルタ層２０Ｂとの境界に対し、一致していない。
このため、例えば矢印に示す斜めの入射光３０は、異なる色を有する二層のカラーフィルタ層（第２の緑色カラーフィルタ層２０Ｇ及び第１の青色カラーフィルタ層１９Ｂ）を通過して光電変換素子に入射している。
また、従来は、表面保護膜とカラーフィルタ層との密着性が不十分であるため、表面保護膜上に透明平坦化膜を形成し、その上にカラーフィルタ層を形成していた。このことから、光電変換素子上に形成される層の膜厚が大きくなる（光電変換素子からマイクロレンズまでの距離が長くなる）ため、斜めの入射光による混色の増加及び入射角度依存性の悪化が生じていた。
以上の課題に鑑み、本発明の目的は、パターンにズレ無く少なくとも二層積層された構成とすることにより、分光特性及び耐久性に共に優れたカラーフィルタ層を備え、隣接画素からの混色、ライン濃淡及び色ムラ等が軽減された固体撮像装置を提供することである。また、そのような固体撮像装置を安定して製造するための製造方法を提供することも目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、基板上に、光を電荷に変換する光電変換素子と、光電変換素子上に形成され且つ色分解を行なうカラーフィルタ層とを備えた複数の画素がマトリクス状に配列された構造を有する固体撮像装置であって、カラーフィルタ層は、染料内添型カラーフィルタ層と、染料内添型カラーフィルタ層上に形成され且つ染料内添型カラーフィルタ層と同一の色相を有する顔料分散型カラーフィルタ層との積層カラーフィルタである。
本発明の固体撮像装置によると、カラーフィルタは、分光特性には優れるが耐熱性、耐光性及び耐薬品性等の耐久性には劣る染料内添型カラーフィルタ層の上に、耐久性に優れた顔料分散型カラーフィルタ層が積層されている構造となっている。このため、本発明の固体撮像装置は、分光特性及び耐久性に共に優れた積層カラーフィルタを備え、信頼性の高い固体撮像装置となっている。また、二種のカラーフィルタ層が積層されていることにより、分光特性の自由度が大きくなっている。尚、染料内添型カラーフィルタ層と顔料分散型カラーフィルタ層とは、色相が同一であることが最も望ましいが、近似していれば使用することは可能である。
ここで、染料内添型カラーフィルタ層は、光電変換素子等に対する密着性が顔料分散型カラーフィルタ層等に比べて良いため、顔料分散型カラーフィルタ層を用いる場合には必須である透明平坦化膜を省略することができる。この結果、光電変換素子上に形成される層の膜厚を低減する（薄膜化する）ことができ、高感度化及び入射角依存性の改善が可能となる。
尚、顔料分散型カラーフィルタ層は、バインダー樹脂に対して例えば同量程度の顔料が分散された構造であり、顔料は通常は接着性を持たない。このため、接着力を有するバインダー樹脂が光電変換素子等と接する面積が小さくなり、顔料分散型カラーフィルタ層の接着力は染料内添型カラーフィルタ層に比べて小さい。これに対し、染料内添型カラーフィルタ層の場合、接着力を有するバインダー樹脂中に染料が溶け込んでいるため、接着力が確保されている。
また、染料内添型カラーフィルタ層と、顔料分散型カラーフィルタ層とは、平面形状が一致し、ズレ無く積層されている。このため、精度の高い積層カラーフィルタとなっており、斜めの入射光に対しても隣接するカラーフィルタ層からの影響を受けにくくなり、混色を抑制できると共に、ライン濃淡及び色ムラ等についても従来より改善されている。
尚、染料内添型カラーフィルタ層の厚さは、顔料分散型カラーフィルタ層の厚さよりも厚いことが好ましい。
このようにすると、分光特性に優れた染料内添型カラーフィルタ層が主に分光の機能を果たし、耐久性に優れた顔料分散型カラーフィルタ層をその上に形成することによって耐久性を向上することができる。
また、染料内添型カラーフィルタ層の屈折率は、前記顔料分散型カラーフィルタ層の屈折率よりも小さいことが好ましい。
このようにすると、積層構造であるカラーフィルタ層の下層（染料内添型カラーフィルタ層）の屈折率が上層（顔料分散型カラーフィルタ層）の屈折率よりも小さいことになる。この結果、入射光は、上層と下層との界面を通過する際に、光電変換素子に対する入射角が大きくなる方向に屈折する。このため、光電変換素子の中心からより遠い位置からも集光することができ、光電変換素子に集光される光の光量が大きくなるため、固体撮像装置の光感度が向上する。
また、基板上に、光電変換素子において生成した電荷を転送するための電荷転送部を更に備え、該電荷転送部は、光電変換素子上に凹部が形成されるように設けられていると共に、該凹部に積層カラーフィルタが埋め込まれていることが好ましい。
このようにすると、電荷転送部及び光電変換素子を覆うように透明平坦化膜が形成され
該透明平坦化膜上にカラーフィルタ層が形成されている場合に比べ、光電変換素子上に形成される層の膜厚が小さくなる。このため、高感度化及び入射角依存性の改善が可能となる。また、凹部を埋め込むように積層カラーフィルタを形成するのであるから、それぞれの光電変換素子に対応したカラーフィルタ層を寸法精度良く形成することが容易にできる。
また、積層カラーフィルタ上に、平坦化のための透明膜を更に備え、透明膜の屈折率は、積層カラーフィルタの屈折率よりも小さいことが好ましい。
このようにすると、積層カラーフィルタ上に生じている凹凸を平坦化することができるため、透明膜上にマイクロレンズ等を形成する際に、その精度を向上することができる。更に、透明膜の屈折率が積層カラーフィルタの屈折率よりも小さいことにより、入射光は、透明膜と積層カラーフィルタとの界面を通過する際に、光電変換素子に対する入射角が小さくなる方向に屈折する。この結果、入射光が積層カラーフィルタ内を通過する経路が短くなり、積層カラーフィルタによって吸収される光量が小さくなるため、光電変換素子に対して集光される光量を向上することができる。
また、透明膜上に、集光のためのマイクロレンズを更に備え、マイクロレンズの屈折率は、透明膜の屈折率よりも大きいことが好ましい。
このようにすると、マイクロレンズによって集光することにより、光電変換素子に対する入光量が大きくなるため、光感度が向上する。また、このことは、マイクロレンズの屈折率を透明膜の屈折率よりも大きくすることにより、更に効果が高くなる。つまり、マイクロレンズと透明膜との界面を通過する際に、入射光は光電変換素子に対する入射角が大きくなる方向に屈折するため、より光電変換素子の中心から離れた位置からも光を集光することができる。
尚、粒子状の顔料を含む顔料分散型カラーフィルタ層が、粒子状の顔料を含まない染料内添型カラーフィルタ層上に形成され、その更に上にマイクロレンズが形成されている。このように、顔料分散型カラーフィルタ層とマイクロレンズ間の距離を短くすることにより顔料分散型カラーフィルタ層を通過する光のスポット径を広くし、顔料分散型カラーフィルタ層中に含まれる顔料粒子による遮光の影響を少なくするようになっている。このため、黒色欠陥を低減させることが可能となっている。
前記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の製造方法は、基板上に、光を電荷に変換する光電変換素子を形成する工程と、光電変換素子上に、色分解を行なう積層構造を有する積層カラーフィルタを形成する工程とを備える固体撮像装置の製造方法であって、積層カラーフィルタを形成する工程は、基板上に、染料内添型の材料からなる第１の材料膜を形成する工程と、第１の材料膜上に、顔料分散型の材料からなる第２の材料膜を形成する工程と、第１の材料膜及び第２の材料膜について、同時に露光し、その後現像する工程とを含む。
本発明の固体撮像装置の製造方法によると、積層カラーフィルタは、染料内添型の材料膜を形成し、その上に顔料分散型の材料膜を積層した後、該二層の材料膜を同時に露光し、更に現像する。このため、積層構造を有するカラーフィルタ層を構成する染料内添型カラーフィルタ層及び顔料分散型カラーフィルタ層は、位置のズレが生じるのを回避して形成することができる。
つまり、従来のように、染料内添型カラーフィルタ層及び顔料分散型カラーフィルタ層について、個別に材料膜の形成、露光及び現像の工程によって形成した場合、マスク合わせのズレ等に起因して位置のズレを生じやすい。しかし、本発明の方法によると、一度の露光及び現像によってパターンを形成するため、このようなズレを生じることがない。
ここで、現像の際、染料内添型の材料膜（第１の材料膜）及び顔料分散型の材料膜（第２の材料膜）に対し、異なる条件をもって現像することが可能である。例えば、第１及び第２の材料膜における現像速度の違いにより、最初に現像速度の速い現像液を用いて現像を行ない、その後、続いて現像速度の遅い現像液を用いて現像を行なうことができる。また、同じ現像液を用い、第１の材料膜は室温現像すると共に、第２の材料膜は高温現像するというようなこともできる。このようにする場合にも、現像液を供給するノズルを必要数設置する等によって、工程数を増やすことなく対応することができる。
尚、光電変換素子を形成する工程の後、積層カラーフィルタを形成する工程よりも前に、基板上に、光電変換素子において生成した電荷を転送するための電荷転送部を形成する工程を更に備え、電荷転送部は、光電変換素子上に凹部が形成されるように設けると共に、積層カラーフィルタを形成する工程において、凹部を埋め込むように積層カラーフィルタを形成することが好ましい。
このようにすると、基板上において、電荷転送部によって光電変換部上には凹部が形成される。更に、該凹部に埋め込むように積層カラーフィルタを形成することにより、積層カラーフィルタを光電変換素子上に精度良く形成することが容易にできる。
また、積層カラーフィルタ上に、集光のためのマイクロレンズを形成する工程を更に備えることが好ましい。
このようにすると、集光のためのマイクロレンズを備えることにより、集光効率の高い本発明の固体撮像装置を製造することができる。
以上に説明したように、本発明の固体撮像装置は、染料内添型カラーフィルタ層と、該染料内添型カラーフィルタ層上に形成され且つ染料内添型カラーフィルタ層と同一の色相を有する顔料分散型カラーフィルタ層との積層構造となっている積層カラーフィルタを有している。これにより、分光特性には優れるが耐久性の点で劣る染料内添型カラーフィルタ層上に、耐久性の優れる顔料分散型カラーフィルタ層を積層していることから、分光特性及び耐久性に共に優れたカラーフィルタ層を有する固体撮像装置となっている。また、二層のカラーフィルタ層はズレ無く形成されるため、斜めの入射光に対する混色防止、ライン濃淡の改善及び色ムラの低減等が実現される。また、更に、マイクロレンズを形成する場合、マイクロレンズと顔料分散型カラーフィルタ層との距離が近いことから、黒色欠陥を減少させることができる。
本発明の固体撮像装置の製造方法によると、染料内添型カラーフィルタ層と顔料分散型カラーフィルタ層とを一度の露光工程によって露光し、更に現像することによって形成するため、マスク合わせズレが生じるのを防いで寸法精度良く形成することができる。これによって、本発明の固体撮像装置を製造することができる。
以下、本発明の固体撮像装置及びその製造方法について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の断面構成を模式的に示す図である。図１には、光電変換素子３個に相当する範囲が示されている。
図１に示すように、本発明の固体撮像装置１００は、第１導電型の半導体基板、ここではＮ型半導体基板１０１を用いて形成されている。Ｎ型半導体基板上には第２導電型ウェル、ここではＰ型ウェル１０２が形成され、Ｐ型ウェル１０２上に、複数の光電変換素子１０３をＮ型半導体領域として備えている。ここで、光電変換素子１０３は、Ｎ型半導体基板１０１上にマトリクス配列されている。尚、本実施形態とは逆に、第１導電型をＰ型、第２導電型をＮ型として本発明の固体撮像装置を構成することも可能である。
また、Ｐウェル１０２及び光電変換素子１０３を覆うゲート絶縁膜１０４を備え、ゲート絶縁膜１０４上における光電変換素子１０３の間の領域に、転送電極１０５を備えている。転送電極１０５は、例えば多結晶シリコンからなるが、特に限定しない。
また、転送電極１０５を覆う層間絶縁膜１０６を備え、更に層間絶縁膜１０６を覆うように形成された遮光膜１０７を備えている。また、光電変換素子１０３上及び遮光膜１０７上を覆うように、表面保護膜１０８が形成されている。ここで、遮光膜１０７は例えばタングステン等によって形成されており、また、表面保護膜１０８は例えばＳｉＯＮ等によって形成されている。
また、転送電極１０５、層間絶縁膜１０６及び遮光膜１０７は、ゲート絶縁膜１０４上において、光電変換素子１０３を取り囲む平面形状を有するように形成されているため、光電変換素子１０３上には凹部が構成されている。該凹部を埋め込むように、ゲート絶縁膜１０４を介して光電変換素子１０３上には染料内添型カラーフィルタ層１０９が形成されている。更に、染料内添型カラーフィルタ層１０９上には、顔料分散型カラーフィルタ層１１０が形成され、二層の積層構造をとる積層カラーフィルタとなっている。
ここで、染料内添型カラーフィルタ層１０９は、緑色染料内添型カラーフィルタ層１０９Ｇ、青色染料内添型カラーフィルタ層１０９Ｂ及び赤色染料内添型カラーフィルタ層１０９Ｒからなっており、個々の光電変換素子１０３に対して所定の色の染料内添型カラーフィルタ層が備えられている。
また、顔料分散型カラーフィルタ層１１０は、緑色顔料分散型カラーフィルタ層１１０Ｇ、青色顔料分散型カラーフィルタ層１１０Ｂ及び赤色顔料分散型カラーフィルタ層１１０Ｒからなっている。これらは、それぞれ下層の染料内添型カラーフィルタ層１０９の色と同一の色となっている。
また、表面保護膜１０８及び顔料分散型カラーフィルタ層１１０を覆う透明平坦化膜が備えられ、表面を平坦化している。更に、表面保護膜１０８上に、それぞれの光電変換素子１０３に対してマイクロレンズ１１２が備えられ、集光効率が高められている。
以上に説明したように、固体撮像装置１００において、積層カラーフィルタは、染料内添型カラーフィルタ層１０９の上に顔料分散型カラーフィルタ層１１０が積層された構造を有する。このため、分光特性に優れ且つ染料が粒子状ではないために黒色欠陥が少ないという染料内添型カラーフィルタ層の利点が利用できる。これと共に、耐久性（例えば耐光性、耐熱性及び耐薬品性等）には劣るという染料内添型カラーフィルタ層の欠点について、耐久性に優れる顔料分散型カラーフィルタ層が積層されていることにより、改善されている。
更に、顔料分散型カラーフィルタ層１１０はマイクロレンズ１１２に近い位置に形成されているため、マイクロレンズ１１２によって集光される光のスポット径が比較的大きい領域に顔料分散型カラーフィルタ層１１０が配置されていることになる。逆に、光電変換素子１０３に近い、集光された光のスポット径が比較的小さい領域には、染料内添型カラーフィルタ層１０９が配置されている。この結果、顔料分散型カラーフィルタ層の欠点である黒色欠陥についても、軽減されている。
また、顔料分散型のカラーフィルタ層に比べて表面保護膜に対する密着性の良い染料内添型カラーフィルタ層１０９を表面保護膜１０８上に形成することにより、表面保護膜１０８上に備えられている必要があった透明平坦化膜は不要である。このため、固体撮像装置１００においては、光電変換素子１０３上に直接カラーフィルタ層を形成することができる。
この結果、光電変換素子１０３からマイクロレンズ１１２までの距離が短くなる。言い換えると、光電変換素子１０３とマイクロレンズ１１２との間の層が薄膜化する。
また、先に説明したように、転送電極１０５等によって光電変換素子１０３上に形成される凹部に対してカラーフィルタ層を埋め込むことができる。このため、カラーフィルタ層を容易に寸法精度良く形成することができる。
これらのことから、光感度を向上し、斜め入射光に対する隣接画素からの混色を防止し、感度バラツキ、ライン濃淡及び色ムラを低減することができる。更に、入射角度依存性についても改善する。
また、染料内添型カラーフィルタ層１０９の屈折率を顔料分散型カラーフィルタ層１１０の屈折率よりも小さくする（そのような材料を用いて形成する）と、集光率が向上する。また、透明平坦化膜１１１の屈折率を顔料分散型カラーフィルタ層１１０の屈折率よりも小さくすることにより、光電変換素子１０３に集光される光量が大きくなる。更に、マイクロレンズ１１２の屈折率を透明平坦化膜１１１の屈折率よりも大きくすることによっても、集光率が高くなる。これらについて、図２を参照して説明する。
図２は、本実施形態の固体撮像装置１００におけるマイクロレンズ１１２の外周端付近（光電変換素子１０３よりも外側）に入射した入射光１５１が通過する経路を示している。
まず、マイクロレンズ１１２、透明平坦化膜１１１、顔料分散型カラーフィルタ層１１０及び染料内添型カラーフィルタ層１０９の屈折率が、それぞれ前記のような関係を有している場合を考える。この場合、入射光は実線に示す経路を通って光電変換素子１０３に至る。
まず、マイクロレンズ１１２により、入射光１５１は光電変換素子１０３の内側方向に屈折する。次に、屈折率がマイクロレンズ１１２＞透明平坦化膜１１１であるため、マイクロレンズ１１２と透明平坦化膜１１１との界面において、入射光は光電変換素子１０３の内側方向に屈折する。同様に、屈折率は顔料分散型カラーフィルタ層１１０＞染料内添型カラーフィルタ層１０９であるため、顔料分散型カラーフィルタ層１１０と染料内添型カラーフィルタ層１０９との界面においても、入射光は光電変換素子１０３の内側方向に屈折する。以上、どちらの場合についても、より光電変換素子１０３から遠い位置からも光を集光することを可能とし、集光率を向上することに貢献している。ここで、これらの屈折率の大小関係が逆である場合、入射光は光電変換素子１０３から遠ざかる方向に屈折するため、集光率は低下することになる。
また、屈折率が透明平坦化膜１１１＜顔料分散型カラーフィルタ層１１０であることから、透明平坦化膜１１１と顔料分散型カラーフィルタ層１１０との界面においては、入射光は、光電変換素子１０３に対する入射角が小さくなる方向に屈折する。この結果、積層カラーフィルタ（顔料分散型カラーフィルタ層１１０及び染料内添型カラーフィルタ層１０９）内を通過する経路が短くなり、積層カラーフィルタ中で吸収される光の量が小さくなる。この結果、光電変換素子１０３に集光される光量が大きくなる。以上のような経路を、図２において、実線によって示した。
これに対し、屈折率が透明平坦化膜１１１＞顔料分散型カラーフィルタ層１１０である（他は本実施形態と同じ関係である）場合を、図２に破線によって示している。この場合、透明平坦化膜１１１と顔料分散型カラーフィルタ層１１０との界面においても入射光は光電変換素子の内側方向に屈折する。このような経路は、マイクロレンズ１１２の外周端付近に対する入射光を光電変換素子１０３に集光する効果には優れているが、積層カラーフィルタ内を通過する経路が本実施形態の場合よりも長くなる。このため、積層カラーフィルタ内において吸収される光量が大きくなり、結果として本実施形態よりも集光される光量は小さくなる。
以上のように、マイクロレンズ１１２等の屈折率が、本実施形態のような関係を有している場合に、マイクロレンズ１１２の外周端により近い位置からも集光が可能であると共に積層カラーフィルタ中において光が吸収される量をより小さくすることができ、光電変換素子１０３に対して集光される光の量を総合的に大きくすることができる。
以上の結果、本実施形態の固体撮像装置１００を用いると、高画質の画像を撮像することができる。
次に、本実施形態に係る固体撮像装置１００の製造方法について、図面を参照して説明する。ここで、まず、本発明の固体撮像装置の製造方法により、染料内添型カラーフィルタ層と顔料分散型カラーフィルタ層とをズレ無く形成する方法について説明する。
図３は、本発明の固体撮像装置の製造方法による積層カラーフィルタの形成方法を説明する図である。
まず、図３（ａ）のように、積層体２０１上に、第１の感光性材料膜２０２を形成し、更に第１の感光性材料膜２０２上に第２の感光性材料膜２０３を積層形成する。ここで、第１の感光性材料膜２０２が染料内添型カラーフィルタ層であり且つ第２の感光性材料膜２０３が顔料分散型カラーフィルタ層であってもよい。また、積層体２０１とは、詳しい構造の図示はしていないが、固体撮像装置を形成するために基板上に光電変換素子等を形成した構造物であってもよい。
次に、図３（ｂ）に示すように、マスク２０４を用いて露光する。第１の感光性材料膜２０２及び第２の感光性材料膜２０３が共にネガ型の感光性材料であるとすると、露光された箇所だけが不溶化し、この後現像することによって、図３（ｃ）に示すように第１のパターン２０２ａ及び第２のパターン２０３ａが形成される。
従来は、第１の感光性材料膜２０２を形成し、露光及び現像を行なって第１のパターン２０２ａを形成した後に、第２の感光性材料膜２０３を形成し、露光及び現像を行なって第２のパターン２０３ａを形成していた。このため、二度行なわれるマスク合わせによるズレが生じること等に起因して、第１のパターン２０２ａと第２にパターン２０３ａとは寸法（位置及び大きさ等）にズレが生じることがあった。
これに対し、本発明の方法によると、積層された第１の感光性材料膜２０２及び第２の感光性材料膜２０３について同時に露光し、連続して現像する。このため、第１のパターン２０２ａと第２のパターン２０３ａとはズレを生じることなく高い寸法精度をもって形成することができる。
尚、このような方法は、感光性材料による二層以上のパターンを積層する際には、カラーフィルタ層の形成に限らず利用できる。積層体２０１についても、特に構造等が限定されるものではなく、単純な半導体基板等であっても良い。
また、現像の際、第１の感光性材料膜２０２及び第２の感光性材料膜２０３について、異なる条件をもって一層ずつ連続して現像を行なうこともできる。つまり、例えば、まず第２の感光性材料膜２０３のみを現像する第１の現像液を用いて、第２の感光性材料膜２０３の現像を行なう。この後、連続して、第１の感光性材料膜２０２の現像のみを行なう第２の現像液を用いて、第１の感光性材料膜２０２の現像を行なう。このようにする際、現像装置に複数の現像液供給ノズルを設置しておくことにより、工程数の増加を防ぐことができる。
次に、図１に加えて図４及び図５を参照しながら、固体撮像装置１００の製造方法について説明する。
図４は、図１に示す固体撮像装置１００の製造工程において、表面保護膜１０８まで形成された状態を示している。
固体撮像装置１００を製造するためには、まず、Ｎ型半導体基板１０１に対してＰ型不純物を導入する等により、Ｐ型ウェル１０２を形成する。次に、Ｐ型ウェル１０２の表面にＮ型不純物を導入する等により、Ｎ型半導体層である光電変換素子１０３をマトリクス状に配列して形成する。
続いて、Ｐ型ウェル１０２及び光電変換素子１０３を覆うように、ゲート絶縁膜１０４を形成する。次に、ゲート絶縁膜１０４に、導電性多結晶シリコンをパターニングすることにより、転送電極１０５を形成する。続いて転送電極１０５を電気的に絶縁被覆する層間絶縁膜１０６を形成し、更に、層間絶縁膜１０６を覆うように、タングステン等からなる遮光膜１０７を形成する。
続いて、ゲート絶縁膜１０４及び遮光膜１０７の表面を覆うように、例えば熱フロー処理によるＢＰＳＧ膜（ホウ素−リンケイ酸ガラス）又はＳｉＯＮ膜等を用いて、表面保護膜１０８を形成する。
ここで、転送電極１０５は、ゲート絶縁膜１０４上において、光電変換素子１０３を取り囲むような平面形状をもって形成される。このため、層間絶縁膜１０６、遮光膜１０７及び表面保護膜１０８が形成された図４に示す状態において、光電変換素子１０３上には、転送電極１０５等に囲まれた凹部（窪み）１２０が形成されている。
この後、図示はいずれも省略するが、アルミ合金等からなる配線を形成し、更に、ＳｉＯＮ膜及び電極取出し用のボンディングパッド等を形成する。
次に、図５は、一つの色について二層からなる積層カラーフィルタが形成された様子を示す図である。具体的には、図４における凹部１２０の一つに、緑色染料内添型カラーフィルタ層１０９Ｇ及び緑色顔料分散型カラーフィルタ層１１０Ｇの積層膜が埋め込まれている様子を示している。以下に、このような構造を形成するための工程を説明する。
まず、積層カラーフィルタと下地となる表面保護膜１０８との密着性を強化するため、表面保護膜１０８のうちの凹部１２０の底面及び側壁に相当する部分にＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）膜を蒸気塗布する等の処理を行なう。但し、表面保護膜１０８と染料内添型カラーフィルタ層１０９との密着性が十分に確保されるのであれば、このＨＭＤＳ膜は省略することができる。
次に、緑色染料内添型カラーフィルタ層１０９Ｇの材料（染料内添型カラーレジスト）を塗布し、続いて緑色顔料分散型カラーフィルタ層１１０Ｇの材料（顔料分散型カラーレジスト）を塗布する。これにより、染料内添型及び顔料分散型それぞれのカラーフィルタ層の材料からなる二層の膜が積層された状態となる。
次に、所定の箇所にカラーフィルタ層が形成されるように設計されたマスクを用いて、染料内添型カラーレジストからなる膜及び顔料分散型カラーレジストからなる膜を同時に露光する。続いて、ポストベーク（熱処理）を含む現像処理を行なうことにより、所定の位置に緑色染料内添型カラーフィルタ層１０９Ｇ及び緑色顔料分散型カラーフィルタ層１１０Ｇの積層された積層カラーフィルタが形成される。
尚、二層のカラーフィルタ層、つまり緑色染料内添型カラーフィルタ層１０９Ｇ及び緑色顔料分散型カラーフィルタ層１１０Ｇは、同一の色相を有することが望ましい。しかし、同一でない場合であっても、分光特性が近似していれば使用可能である。
以上の工程で形成される緑色についての積層カラーフィルタと同様に、所定の光電変換素子１０３上の凹部１２０に対し、青色及び赤色の積層カラーフィルタも形成される。つまり、青色の積層カラーフィルタは、青色染料内添型カラーフィルタ層１０９Ｂの材料からなる膜及び青色顔料分散型カラーフィルタ層１１０Ｂの材料からなる膜を積層した後、該二層の膜について所定のマスクを用いて同時に露光する。更に現像及びポストベーク処理を行なうことにより、所定の位置に青色の積層カラーフィルタが形成される。赤色の積層カラーフィルタについても同様である。
尚、本実施形態においては、緑色、青色、赤色の順で積層カラーフィルタを形成しているが、この順序に限定するものではない。
以上のように必要とする全ての色について積層カラーフィルタを形成した後、透明平坦化膜１１１を形成する。このためには、例えば、アクリル系樹脂を主成分とする熱硬化性透明樹脂を顔料分散型カラーフィルタ層１１０及び転送電極１０５上に位置する表面保護膜１０８の上に塗布し、ポストベークを行ない、膜を得る。このような熱硬化性透明樹脂の塗布及びポストベークを数回繰り返すことによって、顔料分散型カラーフィルタ層１１０を形成した後の表面が平坦化される。
尚、光感度を向上するためには、光電変換素子１０３からマイクロレンズ１１２までの距離は短い方が好ましい。そこで、該距離を短くするため、形成した透明平坦化膜１１１に対してエッチバックを行ない、表面の平坦性を維持できる範囲において可能な限り膜厚を薄くするのが好ましい。
次に、透明平坦化膜１１１の上に、個々の光電変換素子１０３の上に位置するようにマイクロレンズ１１２を形成する。このためには、ます、透明平坦化膜１１１上に、例えばフェノール系樹脂を主成分とする感光性ポジ型熱硬化性透明樹脂を塗布する。次に、露光及び現像（ブリーチング及びポストベークを含む）を行ない、上に凸状の形状を有するマイクロレンズ１１２を形成する。尚、ブリーチングとは、紫外線照射を行なうことによってマイクロレンズ１１２の透過率を高める処理のことである。
または、透明樹脂を塗布した後、更に感光性樹脂を塗布し、露光、現像及び熱フロー処理を施すことにより、まず転写用マイクロレンズを形成する。この後、異方性エッチング技術を用いる周知の方法によって、透明樹脂からなるマイクロレンズ１１２を形成しても良い。
ここで、マイクロレンズ１１２についてのポストベーク温度は、積層カラーフィルタ（染料内添型カラーフィルタ層１０９及び顔料分散型カラーフィルタ層１１０）の分光特性が劣化するのを防ぐため、２００℃以下とすることが好ましい。
また、透明平坦化膜１１１の屈折率は、積層カラーフィルタの屈折率よりも小さいことが好ましい。マイクロレンズ１１２の屈折率は、透明平坦化膜１１１の屈折率よりも大きいことが好ましい。染料内添型カラーフィルタ層１０９の屈折率は、顔料分散型カラーフィルタ層１１０の屈折率よりも小さいことが好ましい。このようにすると、マイクロレンズ１１２に入射する光の光電変換素子１０３に対する集光率が高くなる。
以上の工程により、本実施形態の固体撮像装置１００が形成される。
このように、染料内添型カラーフィルタ層１０９及び顔料分散型カラーフィルタ層１１０が一度の露光等の工程により同時に形成されると共に、光電変換素子１０３上に存在する凹部１２０を埋め込むように形成される。このため、ズレを生じることなく良好な寸法精度をもって積層カラーフィルタが形成され、斜めに入射する光に関する隣接画素からの混色、色ムラ及びライン濃淡（光感度のバラツキ）等が改善される。
尚、本実施形態においては、色調が優先される固体撮像装置に用いることが多い原色系（赤、青及び緑）カラーフィルタ層を形成する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、解像度及び感度が優先される固体撮像装置に用いることが多い補色系カラーフィルタ層を形成する場合にも使用できる。この場合には、マゼンダ光用カラーフィルタ層、緑色光用カラーフィルタ層、黄色光用カラーフィルタ層及びシアン光用カラーフィルタ層を周知の色配列に従って形成する。
また、本実施形態においては、固体撮像装置１００としてはＣＣＤ型の固体撮像装置を想定して説明したが、これに限るものではない。例えば、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）型等の増幅型固体撮像装置であってもよいし、更に他の種類の固体撮像装置において使用することも可能である。
本発明の固体撮像装置及びその製造方法は、染料内添型カラーフィルタ層上に顔料分散型カラーフィルタ層が寸法精度良く積層されたカラーフィルタ層を備え、微細化された画素を有する固体撮像装置において有用である。
図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の断面構成を模式的に示す図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置における各構成要素の屈折率が所定の関係を有していることにより、集光量が向上することを説明する図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の製造方法における積層された積層カラーフィルタの製造方法を説明するための図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示し、表面保護膜１０８までが形成された状態を示す図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示し、一色めの積層カラーフィルタ、つまり緑色染料内添型カラーフィルタ層１０９Ｇ及び緑色顔料分散型カラーフィルタ層１１０Ｇまでが形成された状態を示す図である。 図６は、従来の固体撮像装置の断面構成を模式的に示す図である。
符号の説明
１００ 固体撮像装置
１０１ Ｎ型半導体基板
１０２ Ｐ型ウェル
１０３ 光電変換素子
１０４ ゲート絶縁膜
１０５ 転送電極
１０６ 層間絶縁膜
１０７ 遮光膜
１０８ 表面保護膜
１０９ 染料内添型カラーフィルタ層
１０９Ｇ 緑色染料内添型カラーフィルタ層
１０９Ｂ 青色染料内添型カラーフィルタ層
１０９Ｒ 赤色染料内添型カラーフィルタ層
１１０ 顔料分散型カラーフィルタ層
１１０Ｇ 緑色顔料分散型カラーフィルタ層
１１０Ｂ 青色顔料分散型カラーフィルタ層
１１０Ｒ 赤色顔料分散型カラーフィルタ層
１１１ 透明平坦化膜
１１２ マイクロレンズ
１２０ 凹部

Claims (6)

  1. 基板上に、光を電荷に変換する光電変換素子を形成する工程と、
    前記光電変換素子上に、色分解を行なう積層構造を有する積層カラーフィルタを形成する工程とを備える固体撮像装置の製造方法であって、
    前記積層カラーフィルタを形成する工程は、
    基板上に、染料内添型の材料からなる第１の材料膜を形成する工程と、
    前記第１の材料膜上に、顔料分散型の材料からなる第２の材料膜を形成する工程と、
    前記第１の材料膜及び前記第２の材料膜について、同時に露光し、その後現像する工程とを含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  2. 請求項１において、
    前記光電変換素子を形成する工程の後、前記積層カラーフィルタを形成する工程よりも前に、
    前記基板上に、前記光電変換素子において生成した電荷を転送するための電荷転送部を形成する工程を更に備え、
    前記電荷転送部は、前記光電変換素子上に凹部が形成されるように設けると共に、
    前記積層カラーフィルタを形成する工程において、前記凹部を埋め込むように前記積層カラーフィルタを形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  3. 請求項１又は２において、
    前記第１の材料膜の厚さは、前記第２の材料膜の厚さよりも厚いことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか一つにおいて、
    前記第１の材料膜の屈折率は、前記第２の材料膜の屈折率よりも小さいことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか一つにおいて、
    前記積層カラーフィルタを形成する工程の後に、前記積層カラーフィルタ上に、平坦化のための透明膜を形成する工程を更に備え、
    前記透明膜の屈折率は、前記積層カラーフィルタの屈折率よりも小さいことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  6. 請求項５において、
    前記透明膜を形成する工程の後に、前記透明膜上に、集光のためのマイクロレンズを形成する工程を更に備え、
    前記マイクロレンズの屈折率は、前記透明膜の屈折率よりも大きいことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
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