JP4710693B2 - Color image sensor and color image sensor manufacturing method - Google Patents
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Description
この発明は、カラー撮像素子及びカラー撮像素子製造方法に関係している。 The present invention relates to a color image sensor and a color image sensor manufacturing method.
従来のカラー撮像素子では、半導体基板に設けられた複数の光電変換素子上にフォトリソグラフィー技術を使用して相互に隣接して隙間なく複数色のカラーフィルターが形成されている。カラーフィルターは、略1μmの厚さを有している。なお、カラーフィルターには無色のものも含まれている。 In a conventional color imaging device, color filters of a plurality of colors are formed on a plurality of photoelectric conversion elements provided on a semiconductor substrate, adjacent to each other using a photolithography technique, without a gap. The color filter has a thickness of approximately 1 μm. Color filters include those that are colorless.
近年、撮像素子の高画素化が進んでおり、近年では数百万画素にもなっている。しかも、このような高画素化の進展に伴い、各画素において各画素を動作させるための種々の配線や電子回路が占める面積の割合が増加し、現在各画素において実際に光電変換素子が受光する為に利用することが出来る面積の割合(開口率)は20〜40%程度である。 In recent years, the number of pixels of an image sensor has been increased, and in recent years, the number of pixels has reached several million. In addition, as the number of pixels increases, the ratio of the area occupied by various wirings and electronic circuits for operating each pixel in each pixel increases, and the photoelectric conversion element actually receives light in each pixel at present. Therefore, the ratio of the area that can be used (opening ratio) is about 20 to 40%.
このことは、撮像素子の光感度が低下することを意味している。 This means that the photosensitivity of the image sensor is lowered.
撮像素子の光感度を向上させるために、カラーフィルター上に光電変換素子に対応してマイクロレンズを配置することが特開昭59−122193号公報(特許文献1),特開昭60−38989号公報(特許文献2),特開昭60−53073号公報(特許文献3),そして特開2005−294467号公報(特許文献4)に開示されている。 In order to improve the photosensitivity of the image pickup element, a microlens is disposed on the color filter in correspondence with the photoelectric conversion element (Japanese Patent Laid-Open Nos. 59-122193 and 60-38989). This is disclosed in Japanese Patent Publication (Patent Document 2), Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-53073 (Patent Document 3), and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-294467 (Patent Document 4).
また、半球形状の着色されたマイクロレンズをカラーフィルターとして使用することが特開昭59−198754号公報(特許文献5)に開示されている。 Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-198754 (Patent Document 5) discloses the use of a hemispherical colored microlens as a color filter.
さらに、撮像素子を構成する半導体基板中で、光電変換素子を半導体基板の表面の出来る限り近い位置に配置することで光電変換素子が受け取ることが出来る光量を増加させ、ひいては撮像素子の感度を向上させることが、特開2005−217439号公報(特許文献6)や特開2005−223084号公報(特許文献7)に開示されている。
撮像素子の光感度を向上させるために、カラーフィルター上に光電変換素子に対応してマイクロレンズを配置した従来例では、複数色のカラーフィルタの夫々の相互に隣接して隙間なく接している側面のマイクロレンズに近い部分に入射した光の一部が、隣接するカラーフィルターの側面の同様な部分から隣接するカラーフィルターに進入し、隣接するカラーフィルターの側面の近傍の光に混色を生じさせる。 In the conventional example in which the microlens is arranged on the color filter so as to correspond to the photoelectric conversion element in order to improve the light sensitivity of the image pickup element, the side surfaces of the color filters of a plurality of colors that are adjacent to each other and in contact with each other without a gap. Part of the light incident on the portion close to the microlens enters the adjacent color filter from a similar portion on the side surface of the adjacent color filter, and causes color mixing in the light near the side surface of the adjacent color filter.
混色が生じた光電変換素子では、色の再現性の低下や明度の低下が生じ、カラー撮像素子の全体では色むらを生じさせる。 In a photoelectric conversion element in which color mixing occurs, color reproducibility and brightness decrease, and color unevenness occurs in the entire color imaging element.
しかもこのような、隣接するカラーフィルターからの光の一部の進入は、光電変換素子への入射光の入射角度が浅くなればなるほど生じやすくなる。 Moreover, the entry of part of the light from the adjacent color filter is more likely to occur as the incident angle of the incident light to the photoelectric conversion element becomes shallower.
撮像素子の感度を向上させるために撮像素子を構成する半導体基板中で光電変換素子を半導体基板の表面の出来る限り近い位置に配置することで、光電変換素子が受け取ることが出来る光量を増加させるようにした場合でも、複数の光電変換素子に対応して複数色のカラーフィルターを形成しなければならない。従って、マイクロレンズを使用しないこの場合にも、マイクロレンズを使用している上述した場合と同様に、隣接するカラーフィルターからの光の一部の進入が、隣接するカラーフィルターの側面の近傍の光に混色を生じさせ、上述したのと同じ結果を生じさせている。 In order to improve the sensitivity of the image sensor, the amount of light that can be received by the photoelectric converter is increased by arranging the photoelectric converter in the semiconductor substrate constituting the image sensor as close as possible to the surface of the semiconductor substrate. Even in this case, it is necessary to form color filters of a plurality of colors corresponding to the plurality of photoelectric conversion elements. Therefore, even in this case where the microlens is not used, in the same manner as the case where the microlens is used, a part of light from the adjacent color filter is incident on the light near the side surface of the adjacent color filter. Causing color mixing to produce the same result as described above.
このような混色を防止する為に、特開2005−294467号公報(特許文献4)には、カラーフィルターの上部とカラーフィルターの上面に載置された透明樹脂とでマイクロレンズを構成する技術が記載されている。即ち、カラーフィルターの上面に載置された透明樹脂の表面によりマイクロレンズの上に凸状の湾曲した表面の中央部を構成し、透明樹脂の周辺のカラーフィルターの上面領域によりマイクロレンズの上に凸状の湾曲した表面の環状の周辺部を構成している。 In order to prevent such color mixing, Japanese Patent Laying-Open No. 2005-294467 (Patent Document 4) discloses a technique for forming a microlens with an upper portion of a color filter and a transparent resin placed on the upper surface of the color filter. Are listed. That is, the central part of the convex curved surface is formed on the microlens by the surface of the transparent resin placed on the upper surface of the color filter, and the upper surface area of the color filter around the transparent resin is on the microlens. An annular peripheral portion of the convex curved surface is formed.
そして、このようなマイクロレンズは、透明樹脂の表面に形成したレンズ母型をマスクとして用いたドライエッチングによりレンズ母型の形状を透明樹脂に形状転写することにより形成されている。しかしながら、ドライエッチングによるこのような加工工程は、カラー撮像素子の製造を煩雑にし、製造コストを高くしている。しかも、色の異なるカラーフィルターは同じエッチング条件でドライエッチングした場合にはエッチング速度が異なるので、相互に隣接した相互に色の異なるカラーフィルターの夫々の上面が、透明樹脂の表面により形成されたマイクロレンズの中央部の上に凸状の湾曲した表面に続き形成している、マイクロレンズの上に凸状の湾曲した表面の環状の周辺部の曲率に差が生じ、さらにドライエッチングされてマイクロレンズの上に凸状の湾曲した表面の環状の周辺部を形成している相互に色の異なるカラーフィルターの夫々の表面領域の荒れの程度も相互に異なるので、複数色のカラーフィルターに対応した複数の光電変換素子に入射される光の色のバランスが悪くなり、カラー撮像素子の全体で色むらを生じさせる。 Such a microlens is formed by transferring the shape of the lens matrix to the transparent resin by dry etching using the lens matrix formed on the surface of the transparent resin as a mask. However, such a processing process by dry etching complicates the manufacture of the color image sensor and increases the manufacturing cost. In addition, since the color filters of different colors have different etching rates when dry-etched under the same etching conditions, the upper surfaces of the color filters adjacent to each other having different colors are formed by the surface of the transparent resin. A difference occurs in the curvature of the annular peripheral portion of the convex curved surface formed on the microlens, which is formed following the convex curved surface on the central portion of the lens, and is further dry-etched to form the microlens. Since the degree of roughness of the surface areas of the color filters of different colors forming the annular peripheral part of the convex curved surface on top of each other is different, a plurality of colors corresponding to multi-color filters The color balance of the light incident on the photoelectric conversion element becomes poor, and color unevenness occurs in the entire color imaging element.
撮像素子の光感度を向上させるために、半球形状の着色されたマイクロレンズをカラーフィルターとして使用した従来例では、マイクロレンズの中央部と周辺部とではマイクロレンズに入射後の光の光路の長さに差異がある。カラーフィルター中を通過する光路の長さが異なると、各光路を通過する光の着色に差が生じる。この結果としてマイクロレンズの中央部と周辺部とを通過する光に分光特性に大きな差異が生じる。そして、マイクロレンズにおいては中央部を通過する光量よりも周辺部を通過する光量の方が多いので、カラーフィルターを兼ねるよう着色されたマイクロレンズにより分光された光は全体として色が薄くなる。このことは、カラーフィルターを兼ねるよう着色されたマイクロレンズは、色分離能力が低いことを意味している。これに対し、マイクロレンズの着色を濃くするとカラーフィルターを兼ねて着色されたマイクロレンズにより分光された光の明度が低くなるし、マイクロレンズに含有される着色剤の量が多くなるとマイクロレンズの表面の滑らかさが損なわれマイクロレンズとしての機能が低下してしまう。 In the conventional example using a hemispherical colored microlens as a color filter in order to improve the optical sensitivity of the image sensor, the length of the optical path of light after entering the microlens at the center and the periphery of the microlens There is a difference. If the length of the optical path passing through the color filter is different, a difference occurs in the coloring of the light passing through each optical path. As a result, there is a large difference in spectral characteristics between the light passing through the central portion and the peripheral portion of the microlens. In the microlens, the amount of light passing through the peripheral portion is larger than the amount of light passing through the central portion, so that the light dispersed by the microlens colored so as to serve also as a color filter becomes light as a whole. This means that a microlens colored to double as a color filter has a low color separation ability. On the other hand, when the color of the microlens is darkened, the brightness of the light dispersed by the microlens colored as a color filter is lowered, and when the amount of the colorant contained in the microlens is increased, the surface of the microlens is increased. The smoothness of the lens is impaired, and the function as a microlens is degraded.
さらに従来の複数色のカラーフィルターは、半導体基板に設けられた複数の光電変換素子上に、ネガ型感光性カラー樹脂層からフォトリソグラフィー技術を使用して相互に隣接して隙間なく所定色のカラーフィルターから順次形成されているが、2番目以降に形成される色のカラーフィルターでは、カラーフィルターの表面は、カラーフィルターの周辺部の高さよりも中央部のほうが低くなる。そして、複数色のカラーフィルターの表面を均一に平坦にしたり凸形状にする作業は、非常に困難である。 Furthermore, the conventional multi-color filter is a color filter of a predetermined color without gaps adjacent to each other using a photolithographic technique from a negative photosensitive color resin layer on a plurality of photoelectric conversion elements provided on a semiconductor substrate. Although formed sequentially from the filter, in the color filter of the second and subsequent colors, the surface of the color filter is lower at the center than at the periphery of the color filter. Further, it is very difficult to uniformly flatten or make the surface of the color filters of a plurality of colors flat.
また、ネガ型感光性カラー樹脂層では、色材の含有量が増えるとパターン露光時にパターン光がネガ型感光性カラー樹脂層の底まで十分届かなくなり、樹脂層の底部の硬化度が不十分となる。その為、パターン露光部位と基板との密着力が不十分になり、パターン露光後の現像時にパターン露光部位、即ちカラーフィルターとして半導体基板上に残すべき部分、は半導体基板から剥がれ易くなる。 In addition, in the negative photosensitive color resin layer, if the content of the coloring material increases, the pattern light does not reach the bottom of the negative photosensitive color resin layer at the time of pattern exposure, and the degree of cure at the bottom of the resin layer is insufficient. Become. For this reason, the adhesion between the pattern exposure part and the substrate becomes insufficient, and the pattern exposure part, that is, the part that should be left on the semiconductor substrate as a color filter during development after pattern exposure is easily peeled off from the semiconductor substrate.
この発明は、上記事情の下で為され、この発明の目的は、撮像素子の光感度を向上させることが出来、しかも複数の光電変換素子において混色を生じさせることがなく、さらに、色分離能力が高く、また複数色のカラーフィルターに対応した複数の光電変換素子に入射される光の色のバランスが悪くなることがなくてカラー撮像素子の全体で色むらを生じさせることがない、カラー撮像素子を提供することである。 The present invention has been made under the above circumstances, and an object of the present invention is to improve the photosensitivity of an image sensor, and to prevent color mixture in a plurality of photoelectric conversion elements, and to further provide a color separation capability. Color imaging that is high in color and does not cause color unevenness in the entire color image sensor without deteriorating the color balance of light incident on the plurality of photoelectric conversion elements corresponding to the color filters of multiple colors It is to provide an element.
この発明のもう1つの目的は、上述したカラー撮像素子の為のカラーフィルターを容易に確実に製造するカラー撮像素子製造方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a color image pickup device that easily and reliably manufactures the color filter for the color image pickup device described above.
上述したこの発明の目的を達成する為に、この発明に従ったカラー撮像素子は、半導体基板に設けられた複数の光電変換素子と、複数の光電変換素子上に相互に隣接して隙間なく形成された複数色のカラーフィルターと、を備えている。そして、複数色のカラーフィルターの夫々において、対応する光電変換素子とは反対側の表面が球形状の凸状に形成されてマイクロレンズを構成し、複数色のカラーフィルターの夫々は、相互に隣接し隙間なく接する側面を有している、ことを特徴としている。 In order to achieve the above-described object of the present invention, a color imaging device according to the present invention is formed with a plurality of photoelectric conversion elements provided on a semiconductor substrate and on a plurality of photoelectric conversion elements adjacent to each other without a gap. And a plurality of color filters. In each of the multiple color filters, the surface opposite to the corresponding photoelectric conversion element is formed into a spherical convex shape to constitute a microlens, and each of the multiple color filters is adjacent to each other. It has a feature that it has side surfaces that contact each other without a gap.
また、この発明に従ったカラー撮像素子製造方法は、半導体基板に設けられた光電変換素子上にカラーフィルターを形成するカラー撮像素子製造方法であって:半導体基板の光電変換素子上に紫外線吸収層を形成する紫外線吸収層形成工程と;紫外線吸収層の上に所望の色のポジ型カラーレジスト層を形成するポジ型カラーレジスト層形成工程と;ポジ型カラーレジスト層の表面に現像後に半球状の凸形状が残るようパターンを露光するパターン露光工程と;ポジ型カラーレジスト層を現像し、ポジ型カラーレジスト層の表面に半球状の凸形状を残す現像工程と;現像工程終了後のポジ型カラーレジスト層に硬膜処理を行なう硬膜処理工程と;を備えたことを特徴としている。 A color imaging device manufacturing method according to the present invention is a color imaging device manufacturing method in which a color filter is formed on a photoelectric conversion element provided on a semiconductor substrate: an ultraviolet absorbing layer on the photoelectric conversion element of the semiconductor substrate Forming a positive color resist layer of a desired color on the ultraviolet absorption layer; forming a hemispherical shape after development on the surface of the positive color resist layer; A pattern exposure step of exposing the pattern so that a convex shape remains; a development step of developing the positive color resist layer and leaving a hemispherical convex shape on the surface of the positive color resist layer; and a positive color after completion of the development step A hard film processing step of performing a hard film processing on the resist layer.
上述した如く構成されたことを特徴とするこの発明に従ったカラー撮像素子は:複数色のカラーフィルターの夫々において、対応する光電変換素子とは反対側の表面が半球状の凸状に形成されてマイクロレンズを構成しているので、光電変換素子に入射する光量を増大させることが出来て、ひいてはカラー撮像素子の光感度を向上させることが出来、しかも隣接するカラーフィルターからの光の一部の進入が生ぜずに複数の光電変換素子において混色を生じさせることがなく;さらに複数色のカラーフィルターの夫々は相互に隣接し隙間なく接する側面を有しているので、マイクロレンズとして機能する表面の中央部や周辺部から異なった光路長さを進入してきた光も十分に色分離させることができるだけのカラーフィルターとしての十分な厚みを有していて色分離能力が高い。また、複数色のカラーフィルターの夫々の表面にマイクロレンズの上に凸状の湾曲した表面の一部をドライエッチングにより形成する必要がなく、ひいては複数色のカラーフィルターの夫々の表面にドライエッチングの程度の差異により生じる荒れが生じて複数色のカラーフィルターの相互間の色にバランスの悪化を生じさせることがなく、結局としてカラー撮像素子の全体で色むらを生じさせることがない。 The color imaging device according to the present invention, characterized in that it is configured as described above, has a hemispherical convex surface on the side opposite to the corresponding photoelectric conversion device in each of the color filters of a plurality of colors. Therefore, the amount of light incident on the photoelectric conversion element can be increased, and the light sensitivity of the color image sensor can be improved, and part of the light from the adjacent color filter can be obtained. The color filters of the plurality of photoelectric conversion elements are not mixed with each other, and each of the color filters of the plurality of colors has side surfaces that are adjacent to each other and are in contact with each other without gaps, so that the surface functions as a microlens. As a color filter that can sufficiently color-separate light that has entered different optical path lengths from the center and the periphery of It has only a high color separation capability. In addition, it is not necessary to form a part of the convex curved surface on the microlens by dry etching on each surface of the multi-color filter, and as a result, dry etching is not performed on each surface of the multi-color filter. Roughness caused by the difference in the degree does not occur, and the color balance between the color filters of the plurality of colors does not deteriorate, and as a result, no color unevenness occurs in the entire color image sensor.
また、上述した如く構成されたことを特徴とするこの発明に従ったカラー撮像素子製造方法では:半導体基板の光電変換素子上に形成された紫外線吸収層の上に所望の色のポジ型カラーレジスト層を形成し、このポジ型カラーレジスト層の表面に現像後に半球状の凸形状が残るようパターンを露光した後にポジ型カラーレジスト層を現像してポジ型カラーレジスト層の表面に半球状の凸形状を残し、最後に現像終了後のポジ型カラーレジスト層に硬膜処理を行なうので、ネガ型感光性カラー樹脂層からフォトリソグラフィー技術を使用して製造された従来のカラーフィルターとは異なり、カラーフィルター形成の順番とは無関係に、全ての色のカラーフィルターでも、カラーフィルターの表面をカラーフィルターの周辺部の高さよりも中央部のほうを容易に所望の高さに高く凸形状にすることが出来る。しかも、ポジ型カラーレジスト層中の色材の量をある程度増やしても、前述した従来のネガ型感光性カラー樹脂層において色材の量を増やした場合とは異なり、パターン露光後の現像時にカラーフィルターが半導体基板から剥がれることもない。 In addition, in the color imaging device manufacturing method according to the present invention configured as described above, a positive color resist of a desired color is formed on the ultraviolet absorbing layer formed on the photoelectric conversion device of the semiconductor substrate. After forming the layer and exposing the pattern so that a hemispherical convex shape remains on the surface of the positive color resist layer after development, the positive color resist layer is developed to develop the hemispherical convexity on the surface of the positive color resist layer. Unlike the conventional color filter manufactured by using the photolithographic technique from the negative photosensitive color resin layer, the film is processed on the positive color resist layer after completion of development. Regardless of the order of filter formation, even for all color filters, the surface of the color filter should be centered rather than the height of the periphery of the color filter. More easily it can be high convex shape to a desired height. Moreover, even if the amount of the color material in the positive color resist layer is increased to some extent, unlike the case where the amount of the color material is increased in the conventional negative photosensitive color resin layer described above, the color at the time of development after pattern exposure is increased. The filter is not peeled off from the semiconductor substrate.
次に、この発明の一実施の形態に従ったカラー撮像素子のカラーフィルター製造方法により撮像素子にカラーフィルターが形成されて、この発明の一実施の形態に従ったカラー撮像素子が製造される様子を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。 Next, a color filter is formed on the image pickup device by the color filter manufacturing method for the color image pickup device according to the embodiment of the present invention, and the color image pickup device according to the embodiment of the present invention is manufactured. Will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1の(A)には、半導体基板10に複数のCMOS光電変換素子12が設けられている撮像素子14の概略的な縦断面が示されている。なおこの実施の形態では光電変換素子はCMOS光電変換素子12であるが、この発明の概念に従えば光電変換素子はCCD光電変換素子であってもよい。このような撮像素子14の構成は周知であり、ここではこれ以上詳細に説明しない。
FIG. 1A shows a schematic longitudinal section of an
なおこの発明が適用可能な平面視での画素サイズは、略10μm〜略1μmの範囲であり、この実施の形態では略2.5μm〜略2.2μmの範囲である。 The pixel size in plan view to which the present invention can be applied is in the range of about 10 μm to about 1 μm, and in this embodiment, it is in the range of about 2.5 μm to about 2.2 μm.
次には、図1の(B)中に示されている如く、撮像素子14において複数の光電変換素子12上の表面に紫外線吸収層16が形成され、その上にさらに所望の色のポジ型カラーレジスト層18が形成される。この実施の形態では、紫外線吸収層16の厚さUVHは略0.1μmであり、ポジ型カラーレジスト層18の厚さPCRHは略1.2μmである。
Next, as shown in FIG. 1B, an
ポジ型カラーレジスト層18は、例えば、ポジ型感光性樹脂に、所望の色の色材を添加し、さらにシクロヘキサンやPGMEAなどの有機溶剤、酸分解性樹脂、光酸発生剤、そして分散剤を添加して作成されている。
The positive color resist
ポジ型カラーレジスト層18は通常、緑,青,そして赤の3色が準備される。
The positive color resist
そして、緑色のポジ型カラーレジスト層18は、色材として例えばC.I.ピグメントイエロー150,C.I.ピグメントグリーン36,そしてC.I.ピグメントグリーン7を添加している。
The green positive color resist
また、青色のポジ型カラーレジスト層18は、色材として例えばC.I.ピグメントブルー15:6,そしてC.I.ピグメントバイオレット23を添加している。
Further, the blue positive color resist
さらに、赤色のポジ型カラーレジスト層18は、色材として例えばC.I.ピグメントレッド177,C.I.ピグメントレッド48:1,そしてC.I.ピグメントイエロー139を添加している。
Further, the red positive color resist
ポジ型感光性樹脂は、例えばノボラック樹脂とキノンジアジド化合物の組み合わせであり、この組み合わせにさらにアルカリ可溶性ビニル重合体を加えることも出来る。 The positive photosensitive resin is, for example, a combination of a novolak resin and a quinonediazide compound, and an alkali-soluble vinyl polymer can be further added to this combination.
ポジ型感光性樹脂としては、その他にポリビニルフェノール誘導体やアクリル系であっても良い。 In addition, the positive photosensitive resin may be a polyvinylphenol derivative or an acrylic resin.
なお色材は、上述した以外の他の色の有機顔料や染料であっても良い。 The color material may be an organic pigment or dye of a color other than those described above.
さらに、有機溶剤には、乳酸エステルを添加しても良い。 Furthermore, a lactic acid ester may be added to the organic solvent.
酸分解性樹脂は、酸に接触することによりアルカリ可溶性基(例えば、カルボキシル基やフェノール性水酸基等)に変換可能な基を有する樹脂である。 The acid-decomposable resin is a resin having a group that can be converted into an alkali-soluble group (for example, a carboxyl group or a phenolic hydroxyl group) by contacting with an acid.
また、光酸発生剤は、光が照射されることにより酸を発生する化合物であり、このような化合物の一種以上を使用することが出来る。そして、光酸発生剤としては、例えばオニウムのハロゲンイオン,BF4イオン,PF6イオン,AsF6イオン,SbF6イオン,CF3SO3イオン等との塩、有機ハロゲン化合物、ナフトキノンジアジドスルホン酸化合物、光スルホン酸発生化合物などを使用することが出来る。 The photoacid generator is a compound that generates an acid when irradiated with light, and one or more of such compounds can be used. Examples of the photoacid generator include salts with onium halogen ions, BF 4 ions, PF 6 ions, AsF 6 ions, SbF 6 ions, CF 3 SO 3 ions, organic halogen compounds, and naphthoquinone diazide sulfonic acid compounds. A photosulfonic acid-generating compound can be used.
次に、ポジ型カラーレジスト層18の表面において所望の色(例えば緑)のカラーフィルターを対応して形成したい光電変換素子12に対応する部分を、現像後に対応する光電変換素子12の中心を中心にして半球状の凸形状を残すようなパターンの階調性を有したハーフトーンマスク20を使用してパターン露光22する。
Next, a portion corresponding to the
図2には、使用するハーフトーンマスク20の概略的な平面図が示されている。なお通常、ハーフトーンマスクは、実際に形成するパターンの5倍の寸法を有していて、パターン露光時に1/5に縮小してパターン露光を行なう。またハーフトーンマスクは、同心円状に階調(グレースケール)を有する。同心円状の階調は、例えば1/5縮小時に、例えば露光光の波長以下の寸法になる微細な黒ドット(或いは白ドット)の単位面積当たりの個数をハーフトーンマスク上で調整して形成する。これにより光の透過率が同心円状に異なる同心円状の階調をハーフトーンマスクに持たせることが出来る。
この実施の形態に使用したハーフトーンマスク20では、光電変換素子12の中心を中心とした同心円上に中心に近づくほど黒ドットの数を増やしており、この結果として中心に近づくほど同心円状に光の透過率が減少する。
FIG. 2 shows a schematic plan view of the
In the
この実施の形態のハーフトーンマスク20は、5倍レチクルであり、ポジ型カラーレジスト層18の表面に露光されるパターンの寸法の5倍の大きさの寸法のパターンを有している。そして、図示しないステッパー露光装置を使用し、ハーフトーンマスク20のパターンを1/5に縮小してポジ型カラーレジスト層18の表面に露光している。
The
この後、ポジ型カラーレジスト層18を現像すると、ポジ型カラーレジスト層18において露光されなかった部分、即ち、所望の色のカラーフィルターを対応して形成したい光電変換素子12に対応する部分、のみが、光電変換素子12の中心を中心とした半球状の凸状の表面を有する所望の色の第1のカラーフィルター24として、残る。
Thereafter, when the positive color resist
このとき、第1のカラーフィルター24の半球状の凸状の表面24aにおいて周縁からの中心の突出高さPHは、この実施の形態では略0.5μmであり、上記周縁から紫外線吸収層16までには半導体基板10の表面に対し略0.7μmの高さの略垂直な側面24bが残される。
At this time, the projecting height PH at the center from the periphery of the hemispherical
最後に、このようにして形成されたカラーフィルター24に硬膜処理が行なわれる。
Finally, the hardening process is performed on the
次に、紫外線吸収層16の上に別の所望の色(例えば青)のポジ型カラーレジスト層が形成され、図1の(B)及び(C)を参照しながら前述した所望の色のポジ型カラーレジスト層18から所望の色のカラーフィルター24を形成した時と同様なパターン露光工程,現像工程,そして硬膜処理工程が繰り返されて、別の所望の色のカラーフィルターを対応して形成したい光電変換素子12に対応する部分が、図1の(D)中に示されている如く、この光電変換素子12の中心を中心とした半球状の凸状の表面を有する別の所望の色の第2のカラーフィルター26となる。
Next, a positive color resist layer of another desired color (for example, blue) is formed on the
また紫外線吸収層16の上にさらに別の所望の色(例えば赤)のポジ型カラーレジスト層が形成され、図1の(B)及び(C)を参照しながら前述した所望の色のポジ型カラーレジスト層18から所望の色のカラーフィルター24を形成した時と同様なパターン露光工程,現像工程,そして硬膜処理工程が繰り返されて、さらに別の所望の色のカラーフィルターを対応して形成したい光電変換素子に対応する部分が、図1の(D)中に示されている所望の色の第1のカラーフィルター24や別の所望の色の第2のカラーフィルター26と同様に、この光電変換素子の中心を中心とした半球状の凸状の表面を有する別の所望の色の第3のカラーフィルターとなる。
Further, a positive color resist layer of another desired color (for example, red) is formed on the
このように撮像素子10の複数の光電変換素子12上に紫外線吸収層16を介して所望の配列で形成された複数の第1のカラーフィルター24,第2のカラーフィルター26,そして第3のカラーフィルターは、相互に隣接して隙間なくそれぞれの側面24b,26bを接している。
In this way, the plurality of
なお、相互に異なる色の第1乃至第3のカラーフィルター24,26を形成する際には、第1乃至第3のカラーフィルター24,26の夫々を形成する為のポジ型カラーレジスト層18において夫々に含まれる顔料が相互に異なっており、その結果として露光の際の感光度や現像の際の現像度が相互に異なっているので、夫々の色のポジ型カラーレジスト層18に為に使用されるハーフトーンマスクの階調レベルは夫々の色のポジ型カラーレジスト層18から所望の寸法のカラーフィルターを製造するのに最適なように調整される。
When the first to
即ち、このように夫々の色のポジ型カラーレジスト層18からカラーフィルターを製造する際に専用のハーフトーンマスクを使用することにより、夫々の色のカラーフィルターを夫々の色のカラーフィルターがその光学性能を最も良く発揮することが出来るような寸法に製造することが可能になっている。
That is, when a color filter is manufactured from the positive color resist
なお、ポジ型カラーレジスト層18に添加される色材は、染料でも良いが、耐熱性及び耐光性を考慮すると有機顔料が好ましい。
The coloring material added to the positive color resist
また、ポジ型カラーレジスト層18に色材として有機顔料を添加する場合には、ポジ型カラーレジスト層18からカラーフィルターを製造する際の種々の製造工程での品質を考慮するとポジ型カラーレジスト層18内における有機顔料の固形比は30%〜50%が好ましく、特に40%前後が好ましい。固形比が30%よりも低くなるとポジ型カラーレジスト層18に対する所望の十分な着色効果を得ることが出来ず、固形比が50%を超えると半球状の凸状、即ち半球状の凸レンズ形状、に加工することが困難になるとともに、現像後にポジ型カラーレジスト層18から作られるカラーフィルターに含まれる顔料を主体とする残渣が増え、このようなカラーフィルターを通過した光に混色を生じさせたり、このようなカラーフィルターを通過した光が光電変換素子12からの画像信号出力にノイズを生じさせる原因となるので好ましくない。
In addition, when an organic pigment is added as a coloring material to the positive color resist
そしてこのようなポジ型カラーレジスト層18内における有機顔料の固形比であると、所望の分光特性を得るために必要なカラーフィルターの最低限度の厚さは略0.4μmとなる。
When the solid ratio of the organic pigment in the positive color resist
そして従来のカラー撮像素子の為の平坦なカラーフィルターの厚さは1μm程度であったので、本発明のカラー撮像素子のカラーフィルターにおいて従来の平坦なカラーフィルターと機能的に同じ部分の側面の厚さは、顔料の固形比が30%〜50%の場合、0.4μm〜0.9μmの範囲が好ましく、更には0.5μm〜0.7μmの範囲が最も好ましい。 And since the thickness of the flat color filter for the conventional color image sensor was about 1 μm, the thickness of the side surface of the functionally same portion as the conventional flat color filter in the color filter of the color image sensor of the present invention. When the solid ratio of the pigment is 30% to 50%, the range of 0.4 μm to 0.9 μm is preferable, and the range of 0.5 μm to 0.7 μm is most preferable.
さらに、本発明のカラー撮像素子のカラーフィルターにおいてカラーフィルターに対応した光電変換素子への集光度を向上させるためにカラーフィルターの上部でマイクロレンズとしての効果を生じさせる半球状の凸状の表面を有した部分の高さは、従来の撮像素子の半導体基板において光電変換素子が設けられている深さが5μm〜6μmであり、特許文献6や7に記載されているように半導体基板において光電変換素子を半導体基板の表面に出来る限り近く配置するようにしたものでの上記深さが2μm〜3μmであり、さらに半導体基板において光電変換素子の上に形成される紫外線吸収層の厚さや所望の色のポジ型カラーレジスト層の厚さを考慮すると、カラーフィルターに対応した光電変換素子への集光度を出来る限り好ましくするには、1.8μm〜0.1μmの範囲が好ましい。 Furthermore, in the color filter of the color image sensor of the present invention, a hemispherical convex surface that produces an effect as a microlens is formed on the top of the color filter in order to improve the degree of condensing on the photoelectric conversion element corresponding to the color filter. The height of the included portion is 5 μm to 6 μm at which the photoelectric conversion element is provided in the semiconductor substrate of the conventional imaging device, and photoelectric conversion is performed in the semiconductor substrate as described in Patent Documents 6 and 7. The above-mentioned depth in which the element is arranged as close as possible to the surface of the semiconductor substrate is 2 μm to 3 μm, and the thickness and desired color of the ultraviolet absorbing layer formed on the photoelectric conversion element in the semiconductor substrate In consideration of the thickness of the positive color resist layer, the light condensing degree to the photoelectric conversion element corresponding to the color filter is preferably made as much as possible. In the range of 1.8μm~0.1μm it is preferred.
10…半導体基板、12…光電変換素子、14…撮像素子、16…紫外線吸収層、18…ポジ型カラーレジスト層、20…ハーフトーンマスク、22…露光、24…カラーフィルター、24a…凸状の表面、24b…側面、26…カラーフィルター
DESCRIPTION OF
Claims (5)
複数色のカラーフィルターの夫々において、対応する光電変換素子とは反対側の表面が半球状の凸状に形成されてマイクロレンズを構成し、
複数色のカラーフィルターの夫々は、相互に隣接し隙間なく接する側面を有している、ことを特徴とするカラー撮像素子。 A plurality of photoelectric conversion elements provided on a semiconductor substrate, and a plurality of color filters formed on the plurality of photoelectric conversion elements adjacent to each other without a gap;
In each of the color filters of a plurality of colors, the surface opposite to the corresponding photoelectric conversion element is formed in a hemispherical convex shape to constitute a microlens,
Each of the color filters of a plurality of colors has side surfaces that are adjacent to each other and in contact with each other with no gap therebetween.
半導体基板の光電変換素子上に紫外線吸収層を形成する紫外線吸収層形成工程と、
紫外線吸収層の上に所望の色のポジ型カラーレジスト層を形成するポジ型カラーレジスト層形成工程と、
ポジ型カラーレジスト層の表面に現像後に半球状の凸形状が残るようパターンを露光するパターン露光工程と、
ポジ型カラーレジスト層を現像し、ポジ型カラーレジスト層の表面に半球状の凸形状を残す現像工程と、
現像工程終了後のポジ型カラーレジスト層に硬膜処理を行なう硬膜処理工程と、
を備えたことを特徴としているカラー撮像素子製造方法。 A color imaging element manufacturing method for forming a color filter on a photoelectric conversion element provided on a semiconductor substrate,
An ultraviolet absorbing layer forming step of forming an ultraviolet absorbing layer on the photoelectric conversion element of the semiconductor substrate;
A positive color resist layer forming step of forming a positive color resist layer of a desired color on the ultraviolet absorbing layer;
A pattern exposure step of exposing the pattern so that a hemispherical convex shape remains on the surface of the positive color resist layer after development;
Developing the positive color resist layer, leaving a hemispherical convex shape on the surface of the positive color resist layer; and
A hard film processing step for performing a hard film processing on the positive color resist layer after the development step;
A method of manufacturing a color imaging device, comprising:
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