JP4725106B2

JP4725106B2 - 固体撮像素子の製造方法

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Publication number: JP4725106B2
Application number: JP2005002953A
Authority: JP
Inventors: 健蔵福吉; 忠石松; 智史北村; 啓介緒方; 充宏中尾
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2005-01-07
Filing date: 2005-01-07
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-01-07
Also published as: JP2006190906A

Description

本発明は、Ｃ−ＭＯＳやＣＣＤ等の受光素子に代表される固体撮像素子の製造方法に係り、特に、固体撮像素子上に形成されるマイクロレンズの形成に関する。

ＣＣＤなどの撮像素子の光電変換に寄与する領域（開口部）は、素子サイズや画素数にも依存するが、その全面積に対し２０〜４０％程度に限られてしまう。開口部が小さいことは、そのまま感度低下につながるため、これを補うために、受光素子上に集光のためのマイクロレンズを形成することが一般的に行われている。

しかしながら、近時、３００万画素を超える高精細ＣＣＤ撮像素子への要求が大きくなり、これら高精細ＣＣＤにおいて付随するマイクロレンズの開口率の低下（即ち、感度の低下）およびフレア、スミアなどのノイズ増加による画質の低下が、大きな問題となってきている。Ｃ−ＭＯＳやＣＣＤなどの撮像素子は、ほぼ十分な画素数に近づきつつあり、それらデバイスメーカー間の競争は、画素数から画質の競争へと変化しつつある。

マイクロレンズの形成技術については、公知の技術として例えば、特許文献１に比較的詳細に示されている。特許文献１には、レンズを丸く半球状に形成する技術として熱フローによる樹脂の熱流動性（熱フロー）を用いた技術、また、いくつかのエッチング技術によりレンズを加工する技術も詳細に開示されている。加えて、レンズ表面にＰＧＭＡなどの有機膜やＯＣＤ（ＳｉＯ_２系）などの無機膜を形成することも開示されている。

マイクロレンズをドライエッチング技術にて転写、加工することにより形成する技術は、特許文献１以外に特許文献２に詳細な記載がある（以下、このドライエッチング技術によるマイクロレンズを転写レンズと呼び、また、この加工方法を転写方式と略称する）。転写レンズの形成は、光電変換素子上のカラーフィルターや平坦化膜を含む構成を薄くすることが出来るとともに、熱フローレンズよりもマイクロレンズの開口率を上げることが出来るため、撮像素子特性を向上させ得るという特長を有する。

また、マイクロレンズの表面に、フッ素系樹脂、フッ素含有樹脂などの低屈折率材料を形成する技術は、特許文献３〜５などにおいて公知である。

更に、上下２層のマイクロレンズを形成する技術が、特許文献６に示されている。また、マイクロレンズをカラーレンズとする技術は、特許文献７に示されている。
特開昭６０−５３０７３号公報特開平１−１０６６６号公報特開昭６１−４２６３０号公報特開昭５８− ４１０１号公報特開昭６１−８７３６２号公報特開昭６４− ７５６２号公報特開平６-１０４４１４号公報

特許文献６には、図４に示すように、受光素子４１を備える半導体基板４０上に、熱フローレンズ４６と層内レンズ４２（通常、窒化シリコンのような無機膜で構成）の２個のマイクロレンズを重ねて用いる撮像素子が示されている。この撮像素子は、これらレンズの他に、レンズ下地膜４５、カラーフィルター４４、及び平坦化膜４３を備えていて、層構成が複雑であり、レンズ下距離４９が非常に長いものになっていた。

ＣＭＯＳやＣＣＤなどの受光素子を用いたカメラでは、対物レンズの絞り（Ｆ値）により入射光の角度が変化する。開放側では斜め光が増えて感度が低下することや、受光素子が形成された半導体チップの画素領域の中央と端部では、入射光の角度が大きく異なるため、端部の画素（受光素子）への入射光が低下して、表示画面の端部では暗い表示となっていた。これに対し、レンズ下距離を短くすることで、均一な表示画面を得ることが可能であるが、図５に示す従来例では、レンズ下距離４９が非常に長く、その改善が望まれていた。

また、感度アップのために撮像素子構造の最上層にマイクロレンズが形成されている。このマイクロレンズは、感光性・アルカリ可溶性・熱リフロー性を有する材料を用いて、通常のフォトリソグラフィーの手法で形成される。このマイクロレンズを熱フローレンズと呼ぶが、熱フローレンズは、温度を上げて融解し過ぎると、隣接するレンズ同士が融着し、レンズ機能が損なわれてしまうことが多い。このため、隣接する熱フローレンズのギャップは、０．３μｍ〜０．５μｍであるのが実用的な範囲である。

しかし、撮像素子の画素の微細化が進んだ昨今、画素のピッチは２μｍ〜３μｍと、非常に小さくなっている。例えば、２．５μｍ画素ピッチで、０．３５μｍのレンズのギャップがあると、その熱フローレンズの開口率は、約５０％にしかすぎない。撮像素子の感度低下に結びつく。従って、マイクロレンズの開口率を上昇させることが望まれていた。

更に、上記熱リフロー性を有するレンズ材料は、一般に、フェノール樹脂やポリスチレン系樹脂であり、これらの屈折率は、いずれも１．６と高い。これらの材料による熱フローレンズの表面反射率は、５〜６％と比較的高い。撮像素子は、モジュールと呼ばれる素子構成を有し、その半導体チップの上にカバーガラスが配設されている。熱フローレンズ（マイクロレンズ）表面からの反射光は、このカバーガラス裏面に反射して再び受光素子（しかも異なった受光素子）に再入射する。この再入射光が、フレア、ゴーストと呼ばれる画質低下、強度の光が入射したときには、スミアのノイズレベルを一層悪化させるなど、画質低下への影響が強いものであった。そこで、レンズ表面の反射率を低減することが望まれていた。

更にまた、上記マイクロレンズをカラーレンズとする技術では、マイクロレンズが色素を含有するため、表面が平滑とならず、また、Ｒ、Ｇ、Ｂでエッチングレートが異なるため、均一な曲率のレンズを形成することが出来ないという問題があった。

本発明は、以上のような事情の下になされ、マイクロレンズのレンズ下距離を短くすること、マイクロレンズの開口率を上昇させること、レンズ表面の反射率を低減すること、及び平滑の表面の均一な曲率のカラーレンズを形成することを可能とし、それによって高感度、高画質の撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、半導体基板に２次元的に配置された受光素子と、該受光素子のそれぞれに対応して配設されたカラーレンズと、該カラーレンズ上に直接あるいは間接的に積層された転写レンズとを具備し、前記カラーレンズは、カラ−レジストレンズと、このカラ−レジストレンズ上に形成され、前記転写レンズより大きい屈折率を有する透明樹脂レンズとを含み、前記転写レンズの曲率半径を、前記カラーレンズの曲率半径より大きくした固体撮像素子の製造方法であって、（ａ）受光素子を備える半導体基板上に、カラーフィルタを形成する工程、（ｂ）カラーフィルタ上に第１のエッチング制御層を形成した後、第１の熱フローレンズを形成する工程、（ｃ）前記第１の熱フローレンズをレンズ母型として用いて、ドライエッチングを行い、第１の熱フローレンズのパターンを第１のエッチング制御層及びカラーフィルタに転写し、カラーレンズを形成する工程、（ｄ）前記カラーレンズ上に、含フッ素アクリル樹脂を塗布して、透明樹脂層を形成後、第２のエッチング制御層を形成し、更に、前記第２のエッチング制御層上に第２の熱フローレンズを形成する工程、及び（ｅ）前記第２の熱フローレンズをレンズ母型として用いて、ドライエッチングを行い、前記透明樹脂層を転写レンズに形成する工程を具備し、前記第２のエッチング制御層のエッチングレートが前記第２の熱フローレンズの樹脂のエッチングレートより遅いことを特徴とする固体撮像素子の製造方法を提供する。

このような固体撮像素子では、受光素子の上方に、カラーフィルターを兼ねたカラーレンズを配置しているため、レンズを受光素子に近づけることが出来、その結果、均一な表示画面を得ることが出来る。また、カラーレンズのみを配置する場合には、斜めの入射光に対する色分離が劣化するが、カラーレンズの上に、更に転写レンズを配置しているため、転写レンズにより光を最大限集光することが出来、即ち、開口率を１００％に近づけることが出来る。その結果、感度の良好な撮像素子を得ることが出来る。更に、カラーレンズをカラ−レジストレンズと透明樹脂レンズとの組合せにより構成しているため、平滑の表面の均一な曲率のカラーレンズを形成することが可能である。

本発明の一態様に係る固体撮像素子では、転写レンズの曲率半径がカラーレンズの曲率半径と異なっていること、特に、カラーレンズの曲率半径より大きいことが望ましい。このように、転写レンズの曲率半径をカラーレンズの曲率半径より大きくすることにより、すべての光を受光素子に入射させることが出来る。その結果、感度が上昇し、光の取り込み角が拡大し、明るい表示画像の撮像素子を得ることが出来る。

また、転写レンズの屈折率がカラーレンズの屈折率より小さいことが望ましい。このように、転写レンズの屈折率をカラーレンズの屈折率より小さくすることにより、高感度の、明るい表示画像の撮像素子を得ることが出来る。

透明樹脂レンズの屈折率は、カラ−レジストレンズの屈折率と同一又は近似していることが好ましい。より具体的には、カラ−レジストレンズは、アクリル樹脂を基材として含み、透明樹脂レンズは高屈折率アクリル樹脂又はフェノール樹脂からなるものとすることが出来る。或いは、カラ−レジストレンズは、ポリイミド樹脂を基材として含み、透明樹脂レンズはポリイミド樹脂からなるものとすることが出来る。

更に、転写レンズは、含フッ素アクリル樹脂により構成することが出来る。含フッ素アクリル樹脂の屈折率は１．４７以下と低いため、表面反射率が低く、その上にカバーガラスが配設されても、二重反射が防止され、画質低下が生ずることがない。

本発明によると、色分離を損なうことなく均一な表示画面を得ることが出来、開口率が高く、感度が良好で明るい画像を提供する撮像素子を得ることが出来る。

以下、発明を実施するための最良の形態について説明する。

以下の説明において、各材料の屈折率の値は、基本的には５５０ｎｍの波長の緑色可視光による値である。ただし、カラーレンズの屈折率は、赤色であれば６２０ｎｍ、緑色であれば５５０ｎｍ、青色であれば４５０ｎｍにおけるそれぞれの値を屈折率とした。

図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子を示す部分断面図である。この固体撮像素子は、図１に示すように、所定のピッチで２次元的に配置されたＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子１１を備える半導体基板１０上に、受光素子１１の上方の凹部を埋めるように、カラーレンズ１２、及び転写レンズ１３を設けることにより構成されている。

図１に示す固体撮像素子において、カラーレンズ１２は、カラーレジストレンズ１２ａと、転写レンズ１３よりも屈折率の大きい透明樹脂レンズ１２ｂとから構成されている。例えば、転写レンズ１３の屈折率は１．４７以下であり、透明樹脂レンズ１２ｂの屈折率は１．５２以上であるのが好ましい。

なお、カラーレジストレンズ１２ａは、そのすべてがレンズ（集光）作用を有するものではなく、その周辺部のみがレンズ（集光）作用を有しており、カラーレジストレンズ１２ａの中央部は、単にカラーフィルターとしての作用を有するに過ぎない。

このように、カラーレジストレンズ１２ａと透明樹脂レンズ１２ｂとからなるカラーレンズ１２、及び転写レンズ１３を配置することにより、転写レンズ１３によって光を最大限集光することが出来、即ち、開口率を１００％に近づけることが出来、このように集光された光をカラーレンズ１２により再度集光し、すべての光を受光素子１１に入射させることが出来る。その結果、感度が上昇し、光の取り込み角が拡大し、明るい表示画像の撮像素子を得ることが出来る。

また、どの画素のカラーレンズ１２の中央部も、色素を含まない同一材料である透明樹脂レンズ１２ｂにより構成されているため、表面が平滑であって、荒れがなく、また、エッチングレートが同一となり、均一な曲率のレンズを形成することが出来る。

なお、透明樹脂レンズ１２ｂは、多層構造を有するものとすることも可能である。

以上説明した図１に示す固体撮像素子は、図２（ａ）〜図３（ｃ）に示すプロセスによって製造することが出来る。まず、図２（ａ）に示すように、２次元的に配置された受光素子２１を有する半導体基板２０に、図２（ｂ）に示すように、カラーフィルター２３を形成する。カラーフィルター２３としては、有機顔料を分散したカラーレジストを用い、公知のフォトリソグラフィーの手法で、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｒ（赤）を順次形成する。

次いで、図２（ｃ）に示すように、カラーフィルター２３上にエッチング制御層２４を形成し、このエッチング制御層２４上に、熱フローレンズ２５を形成する。

次に、異方性ドライエッチングにより熱フローレンズ２５及びエッチング制御層２４をエッチングし、熱フローレンズ２５のパターンをカラーフィルター２３に転写し、図３（ａ）に示すように、カラーレンズ２６を形成する。このとき、カラーフィルター２３上のエッチング制御層２４を、０．１〜０．３μｍ程度の厚みだけ残すように、エッチングを行い、カラーフィルター２３も０．０３〜１μｍ程度掘り下げる。そのため、カラーレンズ２６は、周辺部にレンズ機能を有するカラーレジストレンズ２６ａと該カラーレジストレンズ中央部に配置された透明樹脂レンズ２６ｂとから構成される。

カラーフィルター２３は、３色とも例えば１μｍの膜厚に形成するが、その表面の凹凸や色間の微妙な段差があり、その上に熱フローレンズ２５を安定して加工することが困難である。エッチング制御層２４を設けるのは、熱フローレンズ２５の形成の際の熱フローをコントロールし、形状の良好な熱フローレンズ２５を形成するため、カラーレンズ２６の優れた形状および表面性（表面の荒れを防ぐ）を確保するため、及びカラーレンズ２６の一部をなす透明樹脂レンズ２６ｂを形成するための３つの目的がある。

ここで、本実施形態において、エッチング制御層２４に採用可能な透明樹脂としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、スチレン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂あるいはこれらの共重合物などを挙げることができる。これらの中で、カラーレンズ２６の一部をなす透明樹脂レンズ２６ｂを形成するために、後述する転写レンズより大きい屈折率を有し、カラーレジストの屈折率と同程度の屈折率を有する樹脂を選択することが望ましい。

或いは、カラ−レジストレンズの屈折率と転写レンズの屈折率の中間の屈折率を有する樹脂を選択することも可能である。また、ドライエッチング耐性（エッチングレートが小）を有する基や構造、例えば、ベンゼン環や芳香環を骨格に有する樹脂であることが望ましい。透明樹脂に感光性を持たせ、光硬化と熱硬化を併用することも可能である。

カラーレジストとしてアクリル樹脂を基材とするものを用いる場合には、エッチング制御層２４としては、アクリル樹脂を基材とするカラーレジストの屈折率（１．６）と同程度の屈折率を有する高屈折率アクリル樹脂又はフェノール樹脂を用いるのが好ましい。高屈折率アクリル樹脂とは、そのポリマーやモノマー、あるいは硬化剤として、ベンゼン環や芳香族環を導入、あるいは、ハロゲンやイオウの基を導入することで得られる。これらの高屈折率アクリル樹脂は、通常のアクリル樹脂の屈性率がおよそ１．５２〜１．５５の範囲であるので、これらと区別できる範囲として１．５７〜１．６２あるいはこれ以上の屈折率を有するアクリル樹脂となる。アクリル樹脂に、無機構造を導入したいわゆるハイブリッド構造の樹脂であってもよい。また、カラーレジストとしてポリイミド樹脂を基材とするものを用いる場合には、エッチング制御層２４としては、ポリイミド樹脂を用いるのが好ましい。

本実施形態に用いる熱フローレンズ２５に採用可能な熱フロー性を有する感光性樹脂としては、アクリル樹脂やフェノール樹脂、ポリスチレン樹脂などのアルカリ可溶性および熱フロー性を有する樹脂から選択することが出来る。なお、熱フローレンズ２５の下地であるエッチング制御層２４にフェノール樹脂を採用する場合、エッチングレートの関係から、レンズ母型の樹脂としては、アクリル樹脂もしくはポリスチレン樹脂が好ましい。

次に、図３（ｂ）に示すように、カラーレンズ２６上に透明樹脂層２７及びエッチング制御層２８を形成し、更にその上に、感光性・熱フロー性を有する樹脂を用いて、熱フローレンズ２９を形成する。

透明樹脂層２７は、後述する工程で転写レンズとされるものであり、採用可能な透明樹脂としては、アクリル樹脂、含フッ素アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、スチレン樹脂、フェノール樹脂あるいはこれらの共重合体などの中から、エッチング制御層２４よりも屈折率が小さいものを選択することが出来る。しかし、耐熱性の高いアクリル樹脂、或いは低屈折率を有する含フッ素アクリル樹脂がより好ましい。

また、透明樹脂層２７を構成する樹脂には、光の表面反射を低減するため、１．４７以下の屈折率を有する化合物が添加されるのが好ましい。１．４７以下の屈折率を有する化合物としては、可視域（光の波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲）で高透過率を有し、かつ、高耐熱性を有するもの、例えば、シリコン化合物やフッ素化合物を用いることが出来る。より具体的には、シリコーン系界面活性剤やフッ素系界面活性剤の中から、１．４７以下の屈折率を有するものを適宜選択することが出来る。

通常、固体撮像素子に用いるマイクロレンズ用樹脂、平坦化材用樹脂としての透明有機樹脂は、上述のアクリル樹脂、スチレン樹脂などが一般的であり、その屈折率はおおよそ１．５〜１．６の範囲である。

特に、固体撮像素子向けの転写レンズとして適用可能な含フッ素系アクリル樹脂は、実用的には１．３８〜１．４７の屈折率を有しているので、フッ素系アクリル樹脂に１．４７以下の屈折率を有する化合物を添加することにより、特に望ましい効果が得られる。

本実施形態において、エッチング制御層２８は、上述したエッチング制御層２４と同様の樹脂を用いることが出来る。

本実施形態に用いるレンズ母型に採用可能な熱フロー性を有する感光性樹脂としては、アクリル樹脂やフェノール樹脂、ポリスチレン樹脂などのアルカリ可溶性および熱フロー性を有する樹脂から選択することが出来る。なお、レンズ母型の下地であるエッチング制御層２８にフェノール樹脂を採用する場合、エッチングレートの関係から、レンズ母型の樹脂としては、アクリル樹脂もしくはポリスチレン樹脂が好ましい。

エッチング制御層２８のエッチングレートがレンズ母型の樹脂のエッチングレートより遅いことが、エッチング制御層２８を加工して中間的に形成されるレンズの高さ（厚み）を下げる観点から好ましい。本実施形態に採用するエッチング制御層２８は、熱フロー時のレンズ母型の流動性をコントロールし、丸くスムーズな形状と寸法安定性の確保のほかに、上記したように、ドライエッチング時のレンズ高さの調整（あらかじめレンズ高さを低くして、ドライエッチングでのレンズ高さを高くしすぎない調整）の作用と、含フッ素アクリル樹脂の添加の影響によるレンズギャップの拡大を抑制する作用がある。

最後に、図３(ｃ)に示すように、熱フローレンズ２９をレンズ母型としてドライエッチング処理し、熱フローレンズ２９のパターンを透明樹脂層２７に転写し、転写レンズ３０を形成し、カラーレンズ２６と転写レンズ３０の２層レンズを備える撮像素子が得られる。

本実施形態に用いるドライエッチングには、ＥＣＲ、平行平板マグネトロン、ＤＲＭ、ＩＣＰ、あるいは２周波タイプのＲＩＥなどのドライエッチングの手法及び装置を使用することが出来る。ドライエッチングに用いるガスは、酸化性あるいはエッチング性のあるガスであれば、特に制限する必要はない。フッ素、塩素やブロムなどハロゲン元素を構成に含むガスや、酸素やイオウを構成に含むガスなどを用いることが出来る。しかしながら、可燃性がなく、人体への影響の観点から毒性の低い、フロン系ガスの使用が実用的には好ましい。

フロン系のガスは、ＣＦ_４よりもＣ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８など、Ｆの原子比率に対してＣの原子比率が高い方が、転写レンズのゲイン（レンズ間ギャップを小さくする効果）を得やすい。Ｏ_２（酸素）をフロンガスと併用することは、ゲインを低下させる方向であるため、好ましくない。また、複数種のガスを混合、併用しても良い。ドライエッチング時に、分布や転写レンズ形状改善のために、対象の半導体基板を加温したり、あるいは冷却しても良い。ドライエッチングは、装置依存性が強く、それぞれの装置に合わせてガス圧、パワー、ガス流量などを適宜調整することになる。

以下、本発明の実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。

実施例１
本実施例に係る固体撮像素子の製造方法について、図２及び３を参照して説明する。

図２(ａ)に示すように、２．５μｍのピッチで２次元的に配置された受光素子２１を備える半導体基板２０上に、図２（ｂ）に示すように、厚み１μｍのカラーフィルター２３を形成した。カラーフィルター２３は、公知のフォトリソグラフィーの手法で、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｒ（赤）の３色のレジストを用いて形成した。なお、カラーフィルター２３の形成前にシランカップリング剤やアクリル樹脂の薄膜（約０．１μｍ）などを下引きすることにより、カラーフィルター２３の接着性を向上させることができる。

Ｇ（緑）レジストとしては、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン２６、Ｃ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６を用い、更にシクロヘキサノン、ＰＧＭＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤を添加した構成のカラーレジストを用いた。このＧ（緑）レジストを用いて形成したＧ（緑）カラーフィルターの５５０ｎｍでの屈折率は、１．５７であった。

Ｂ（青）レジストとしては、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６、Ｃ．Ｉ．ピグメントバイオレット２３を用い、更にシクロヘキサノン、ＰＧＭＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤を添加した構成のカラーレジストを用いた。このＢ（青）レジストを用いて形成したＢ（青）カラーフィルターの４５０ｎｍでの屈折率は、１．６４であった。

Ｒ（赤）レジストとしては、色材として、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１１７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９を用い、他の組成は、Ｇ（緑）レジストと同様とした。このＲ（赤）レジストを用いて形成したＲ（赤）カラーフィルタの６２０ｎｍでの屈折率は、１．６９であった。なお、図では、配列の関係上、Ｇ（緑）カラーフィルタ及びＢ（青）カラーフィルターのみを示し、Ｒ（赤）カラーフィルタは示されていない。

カラーフィルターの基材は、アクリル樹脂（屈折率１．５４）に上記のように有機顔料を加えた系であるが、有機顔料を入れることにより、約１．６前後の高い屈折率に変化する。

次いで、図２(ｃ)に示すように、カラーフィルター２３上にフェノール樹脂よりなる厚み1μｍのエッチング制御層２４を形成した後、更にこのエッチング制御層２４上に、熱フロー性・感光性を有するアクリル樹脂を用いて公知のフォトリソグラフィーと熱フロー技術を用いて、熱フローレンズ２５を形成した。

次に、熱フローレンズ２５をレンズ母型として用いて、Ｃ_３Ｆ_８およびＣＦ_４の混合ガスを使用して異方性ドライエッチングを行い、熱フローレンズ２５のパターンをエッチング制御層２４及びカラーフィルター２３に転写し、図３(ａ)に示すように、カラーレンズ２６を形成した。なお、このエッチングは、カラーフィルター２３上にエッチング制御層２４を０．２μｍの厚さだけ残すように行われた。その結果、実効レンズ高さ０．４μｍの、カラーレジストレンズ２６ａと透明樹脂レンズ２６ｂとからなるカラーレンズ２６が得られた。なお、透明樹脂レンズ２６ｂの屈折率は、１．６１であった。

図３(ａ)では、隣接するカラーレンズ２６間のギャップにカラーフィルターを残さない構成を示してあるが、カラーフィルターを若干量残しても良い。

その後、図３（ｂ)に示すように、カラーレンズ２６上に、含フッ素アクリルモノマーを添加した含フッ素アクリル樹脂の塗布液を１．５μｍ厚みに塗布して、透明樹脂層２７を形成し、また、１μｍの膜厚のポリスチレン樹脂からなるエッチング制御層２８を形成し、更に、アルカリ可溶性・感光性・熱フロー性を有するアクリル樹脂を用いて、熱フローレンズ２９を形成した。

次に、図３(ｃ)に示すように、ドライエッチング装置にて、フロン系ガスであるＣ_４Ｆ_８およびＣ_３Ｆ_８の混合ガスを用い、熱フローレンズ２９をレンズ母型としてエッチング処理し、転写レンズ３０を形成した。転写レンズ間のギャップは、０．０３５μｍと狭ギャップに加工することが出来た。転写レンズを構成する含フッ素アクリル樹脂の硬膜後の屈折率は、１．４５であった。

図３（ｃ）に示すように、本実施例により得た固体撮像素子は、受光素子２１を備えた半導体基板２０上にカラーレンズ２６および転写レンズ３０を形成したものである。転写レンズの径は、２．５μｍ、厚み（レンズ高さ）は０．６μｍであった。半導体基板２０の表面から転写レンズ３０までのトータルの厚みは、１．２μｍであった。また、カラーレンズ２６の実効的なレンズ高さは０．４μｍとした。更に、転写レンズ３０の表面の可視光の反射率は、約３．５％であった。

このような固体撮像素子では、カラーレンズ２６の曲率半径は０．６μｍであり、転写レンズ３０の曲率半径は１μｍであった。また、カラーレンズ２６の屈折率は、上述したように１．６前後であるので、屈折率１．４５の転写レンズからの光を更に屈折させて、受光素子２１に有効に集光させることが出来た。

本発明の一実施形態に係る固体撮像素子を示す断面図である。図１に示す固体撮像素子の製造方法を工程順に示す断面図である。図１に示す固体撮像素子の製造方法を工程順に示す断面図である。従来の固体撮像素子を示す断面図である。

符号の説明

１０，２０，４０…半導体基板、１１，２１，４１…受光素子、１２，２６…カラーレンズ、２６ａ…カラーレジストレンズ、２６ｂ…透明樹脂レンズ、１３，３０…転写レンズ、２３，４４…カラーフィルタ、２４，２８…エッチング制御層、２５，２９，４６…熱フローレンズ、２７…透明樹脂層，４２…層内レンズ、４３…平坦化層、４５…レンズ下地膜。

Claims

半導体基板に２次元的に配置された受光素子と、該受光素子のそれぞれに対応して配設されたカラーレンズと、該カラーレンズ上に直接あるいは間接的に積層された転写レンズとを具備し、前記カラーレンズは、カラ−レジストレンズと、このカラ−レジストレンズ上に形成され、前記転写レンズより大きい屈折率を有する透明樹脂レンズとを含み、前記転写レンズの曲率半径を、前記カラーレンズの曲率半径より大きくした固体撮像素子の製造方法であって、
（ａ）受光素子を備える半導体基板上に、カラーフィルタを形成する工程、
（ｂ）カラーフィルタ上に第１のエッチング制御層を形成した後、第１の熱フローレンズを形成する工程、
（ｃ）前記第１の熱フローレンズをレンズ母型として用いて、ドライエッチングを行い、第１の熱フローレンズのパターンを第１のエッチング制御層及びカラーフィルタに転写し、カラーレンズを形成する工程、
（ｄ）前記カラーレンズ上に、含フッ素アクリル樹脂を塗布して、透明樹脂層を形成後、第２のエッチング制御層を形成し、更に、前記第２のエッチング制御層上に第２の熱フローレンズを形成する工程、及び
（ｅ）前記第２の熱フローレンズをレンズ母型として用いて、ドライエッチングを行い、前記透明樹脂層を転写レンズに形成する工程
を具備し、前記第２のエッチング制御層のエッチングレートが前記第２の熱フローレンズの樹脂のエッチングレートより遅いことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
前記透明樹脂レンズの屈折率は、前記カラ−レジストレンズの屈折率と同一又は近似させていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
前記カラ−レジストレンズはアクリル樹脂を基材として含み、前記透明樹脂レンズは高屈折率アクリル樹脂からなる請求項１または２に記載の固体撮像素子の製造方法。
前記透明樹脂レンズの屈折率は、前記カラ−レジストレンズの屈折率と前記転写レンズの屈折率の中間の屈折率であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
前記カラ−レジストレンズは、アクリル樹脂を基材として含み、前記透明樹脂レンズはフェノール樹脂からなることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子の製造方法。
前記カラ−レジストレンズは、ポリイミド樹脂を基材として含み、前記透明樹脂レンズはポリイミド樹脂からなることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子の製造方法。