JP4935118B2 - 撮像素子の製造方法及び撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＭＯＳやＣＣＤ等の受光素子に代表される撮像素子及び撮像素子上に形成されるマイクロレンズに関し、特に、表面低反射で、かつ撮像素子表面に 異物付着などによる欠陥の形成されない撮像素子の製造方法及び撮像素子に関する。

ＣＭＯＳ等の受光素子の光電変換に寄与する領域（フォトダイオードとしての開口部）は、素子サイズや画素数にも依存するが、画素ピッチから換算される画素面積に対し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、これを補う目的で集光のためにマイクロレンズを形成することが一般的である。

ＣＭＯＳやＣＣＤ等の受光素子に代表される撮像素子は、画素数の拡大とともに画素の微細化が進展している。画素ピッチは３μｍをきり２μｍ以下の微細化に進む方向であり、画素数も携帯電話向けカメラにおいてさえ、３００万画素あるいは５００万画素の多画素化に進んでいる。受光素子上に配設されるマイクロレンズも同様、必然的に微細化、多画素化となっている。半球状のマイクロレンズは、通常、有機樹脂から構成されるが、その高さは凡そ２μｍから０．２μｍの範囲にある。マイクロレンズの形成技術には、下記の代表的な技術がある。（特許文献参照）。

特開平４−２２６０７３号公報に開示される技術は、有機樹脂のマイクロレンズの上にレンズの開口率アップのために、ＳｉＯ₂ などの無機膜を積層する技術である。また、ＣＦ₄ などフロロカーボン系ガスを用いてのドライエッチング技術には、下記の公知技術がある。この特開平６−３７０５８号公報には、有機系材料（ノボラック樹脂系フォトレジスト、及びカーボン膜）を用い、かつ、ガス種としてＯ₂ （酸素）、ＣＦ₄ の単独や混合ガスを用いて、画線の太り細りがあることが開示されている。

撮像素子向けのマイクロレンズ形成には、熱フロー性を持つポジ型の感光性樹脂（通常、半導体レジストにも用いられる感光性フェノール樹脂）を用いることが一般的である。これらは、透明樹脂やカラーフィルタの上に塗布され、３６５ｎｍを主波長とするステッパー露光装置およびマイクロレンズの５倍寸法で作製されたマスク（通常、５倍レチクルと呼ぶ）を用いて、縮小露光することが多い。このあと、有機アルカリ水溶液で現像し、１５０℃から２５０℃の範囲の熱処理で溶かして、凸状、半球状の丸いレンズに加工する。
特開昭６０−５３０７３号公報 特開平２−２４４６２５号公報 特開平４−２２３３７１号公報 特開平４−２２６０７３号公報 特開平６−１１２４５９号公報 特開平６−３７０５８号公報

ＣＭＯＳやＣＣＤ等の受光素子に代表される撮像素子は、画素数、例えば、２００万画素のチップが８”あるいは１２”のシリコンウエハーに数百個から数千個チップ多面付けされ、カラーフィルタやマイクロレンズを形成した上で、チップ個別にダイシングされ、さらにモジュール化される。
こうした、ダイシング、モジュール化やパッケージ化などの後工程で、マイクロレンズにゴミ異物が付着し、その収率を低下させることが多い。前記したように高さのあるマイクロレンズの、主にレンズ間にゴミ異物が付着し、撮像での欠陥となってしまう傾向にあった。

また、カラーフィルタや有機樹脂のマイクロレンズ上を覆うように無機膜を形成する技術は、有機樹脂と無機膜の熱膨張率差からくる剥がれなどの問題、また、有機樹脂部位への吸湿後の、急加熱でのフクレなどの信頼性に欠ける問題があった。
加えて、図１０に示すように、通常、撮像素子として光電変換素子などが形成された半導体基板８１上にカバーガラス８９を配設した構成を取ることが多い。この構成では、入射光がマイクロレンズ８８表面で反射しやすく、この反射光８７が異なる光電変換素子に再入射してノイズとなる問題があった。また、図１０に示す構成は複雑でコスト高であると共に、マイクロレンズ表面と空気との界面反射が避けられないため、光のロスのある構成であった。

本発明は、上記問題点に鑑み考案されたもので、簡便な構成で、かつ異物付着が避けられる撮像素子の製造方法、および撮像素子を提案するものである。

本発明は、撮像の有効画面内に２次元的に配設された光電変換素子と、有効画面の外周に外部との電気的接続をとるための電極パッドが形成された基板の上方に、該光電変換素子の各々に対応した複数色のカラーフィルタとマイクロレンズが順次に積層され、更に該マイクロレンズを覆うように平坦層が積層された撮像素子の製造方法において、以下の（１）〜（４）の工程を備えることを特徴とする撮像素子の製造方法。
（１）マイクロレンズを形成する工程、
（２）マイクロレンズの屈折率より低い屈折率を有する透明樹脂の塗布液を用いて、マイクロレンズが形成された半導体基板の全面に平坦層を形成する工程、
（３）該平坦層の有効画面内は覆われ、電極パッド上には開口を有するレジストパターンを形成する工程、
（４）電極パッド上方の平坦層を除去して、電極パッドを露出させた開口部を形成し、同時にレジストパターンを除去し、同時に平坦層の表面を粗化するドライエッチング工程。
また、本発明は、上記発明による撮像素子の製造方法において、前記マイクロレンズを形成する工程が、熱フローレンズを母型として透明樹脂にレンズ形状をドライエッチングにより転写する形状転写であり、該形状転写にてアルミニウムのパッド上に厚さ０．０５〜０．２５μｍの透明樹脂膜を残すことを特徴とする撮像素子の製造方法である。

また、本発明は、上記発明による撮像素子の製造方法において、前記形状転写に用いる導入ガスが、フロロカーボン系ガスであることを特徴とする撮像素子の製造方法である。

また、本発明は、上記発明による撮像素子の製造方法において、前記電極パッド上方の平坦層の除去に用いる導入ガスが、酸素であることを特徴とする撮像素子の製造方法であ
る。

また、本発明は、撮像の有効画面内に２次元的に配設された光電変換素子の上方に、該光電変換素子の各々に対応した複数色のカラーフィルタとマイクロレンズが順次に積層された撮像素子において、該マイクロレンズ上および撮像の有効画面外の遮光膜上に粗化した表面を有し、かつ、電極パッド上に開口部を有する平坦層を形成したことを特徴とする撮像素子である。

また、本発明は、上記発明による撮像素子において、前記マイクロレンズが、断面形状もしくは厚みの異なるマイクロレンズを合わせて配列したマイクロレンズであることを特徴とする撮像素子である。

本発明により、従来の撮像素子で問題であったダイシングなどの後工程でのゴミ異物付着が解消される。ゴミ異物の付着があっても、簡単な洗浄で除去できる。加えて、酸素を用いたドライエッチングによる平坦層の表面は、吸着による水分があるため静電気の帯電を抑制できる。
更に、従来、高屈折率で光の反射の多いマイクロレンズや遮光膜からの反射光を抑えることができ、再反射光に起因するノイズを抑え、高画質の画像を得ることが可能となる。

以下に、本発明の撮像素子の製造方法の実施形態に基づいて詳細に説明する。
後述するように、形状転写で用いるガスは、ＣＦ₄ 、Ｃ₂ Ｆ₆ 、Ｃ₃ Ｆ₈ などのフロロカーボン系ガスである。これらのガスは、ドライエッチング時に光電変換素子の形成された半導体基板（シリコンウエハ）に形成された電極パッドを損傷する傾向がある。この電極パッドは、後に金線などでボンディングし外部との電気的接合を得るためのパッドであり、アルミニウム、銅で形成される。

このため、中間工程に相当する形状転写では、電極パッドを露出させず、かつ、必要最小限の透明樹脂膜を残しておくことが良い。有機膜のドライエッチングでは、膜厚の制御は、±０．０５μm 〜±０．１μｍで対応できるため、形状転写で電極パッドに残す透明樹脂膜の厚みは、０．０５〜０．２５μm が好適である。

マイクロレンズを形成する、いわゆるドライエッチングによる形状転写には、フロロカーボン系ガスを用いる。フロロカーボン系ガスは、ＣＦ₄ 、Ｃ₂ Ｆ₆ 、Ｃ₃ Ｆ₈ 、Ｃ₄ Ｆ₈ などの単独ガス、あるいはこれらの混合ガスが好適である。
特に、カーボン原子／フッソ原子比率でカーボンの割合の高いガスを用いると、ドライエッチングでの形状転写にて、図２（２）に示すエッチング制御層２１による中間レンズ２３を大きく形成しやすい。これは、特開平６−３７０５８号公報に記載されるように、ドライエッチング時にレンズ母型２２や中間レンズ２３の側壁にＣＦ_X が形成されやすいために、レンズ形状を大きくできるのである。このレンズ母型２２からレンズパターンが大きくなり、結果としてレンズ間の隙間が小さくなり、「狭ギャップ」効果が得られることになる。

形状転写をする前のレンズ母型２２から、非球面や非対称の特殊なマイクロレンズや形状・厚みの異なるマイクロレンズをドライエッチングで加工するには、Ｃ₂ Ｆ₆ 、Ｃ₃ Ｆ₈ 、Ｃ₄ Ｆ₈ などＦ原子の数に対してＣ原子の数の大きい（部分的に水素原子を含んだフロン系ガスを導入しても良い）フロロカーボン系ガスを用いることが良い。
「狭ギャップ」は、レンズ間の隙間が小さくなると進みにくくなる。レンズ間が小さくなりゼロギャップになると「狭ギャップ」効果が小さくなるため、図２（２）に示すように
、ゼロギャップ化したエッチング制御層による中間レンズ２３を透明樹脂２８に形状転写するドライエッチング工程では、ＣＦ₄ のようにエッチングレートの早いガスに切り替えることが望ましい。

また、本発明は、形状転写に用いるガスが、フロロカーボン系ガスであることを特徴としている。熱フローレンズを母型として、透明樹脂に形状転写するドライエッチングでは、転写されたマイクロレンズのレンズ間ギャップを抑え、同時に、その表面荒れを少なくするために、ＣＦ₄ 、Ｃ₂ Ｆ₆ 、Ｃ₃ Ｆ₈ などのフロロカーボン系ガスが、導入ガスとして好適である。
しかしなから、これらのガスを用いたドライエッチング後のマイクロレンズなど樹脂表面にＣＦ_X の化合物が残存する。これらは水をはじく性質があるため、各種洗浄やウエハーのダイシングなどの工程で、洗浄ムラやダイシング時の汚れを表面に生じてしまう傾向がある。酸素（Ｏ₂ ）をドライエッチングの導入ガスとして用いた場合は、逆に樹脂表面の荒れを生じやすく、また、水とのぬれの良い表面となる傾向がある。マイクロレンズは、半球状のレンズ形状を保ちながら滑らかな表面であることが好ましく、ゆえに、フロロカーボン系ガスの適用が良い。

また、本発明は、電極パッド上方の平坦層の除去に用いる導入ガスが、酸素であることを特徴としている。本発明に採用するマイクロレンズ上の平坦層は、低反射率で、かつ、水との濡れが良いことがこのましい。平坦層の適度の表面荒れは低反射率に活用し、濡れの良さは、例えば、ダイシングなどでの汚れ付着軽減に活用できる。すなわち、形状転写では、フロロカーボン系ガスを使用し、電極パッド部位上の平坦層を除去するドライエッチング工程では酸素を使用することが良い。

本発明において、マイクロレンズと平坦層とは屈折率差があることが必要である。平坦層下部の光電変換素子（フォトダーオード）に光を集光させるために、マイクロレンズが凹形状のときは、レンズ材料の屈折率は 平坦層の屈折率より低いことが必要であるし、また、マイクロレンズが凸状であるときは平坦層の屈折率は レンズの屈折率より低いことが必要である。

本発明のマイクロレンズや平坦層に用いる材料は、透明であり、かつ、集光のための屈折率の差がとれれば無機材料、樹脂材料、いずれよりも選択可能である。例えば、光電変換素子の形成された半導体基板上に、さらにＳｉＯ₂ （二酸化珪素）やＳｉＮ（窒化珪素）をＣＶＤ等の手法で形成し、これをドライエッチングなどの手法でレンズ形状に加工したマイクロレンズを用いることができる。樹脂材料として、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、ポリアミド樹脂あるいはこれらの共重合体などがあげられる。

平坦層に用いる材料は、マイクロレンズ上に形成する場合に、スピンコートなどのウエットコーティングで塗布できる材料が好ましい。平坦化効果のある、例えば、平均分子量５０００〜１００００の範囲の、アクリル樹脂やフッ素系アクリル樹脂の塗布液などがより好ましい。また、低屈折率化のためにシリコン基やフッ素基を導入しても良い。シリコン基を含むハイブリッド（ＳｉとＣ）系の樹脂を用いても良い。

樹脂などの平坦層の表面を荒らす手法として、熱処理、電子線、紫外線照射などのエネルギーを付与して樹脂表面を荒らす手法、あるいは、プラズマもしくは機械的に表面を叩いて粗化させる手法などを併用しても良い。表面を粗化させることにより粗化面に水分が吸着し、帯電防止効果、すなわち静電気によるゴミ、異物吸着を減らすことができる。この表面粗化には、酸素によるプラズマ処理を併用すると極めて効果的である。
酸化処理した樹脂表面には、水和物を介してより水分吸着を促進できる。表面粗化に効果
あるのは、酸素によるドライエッチングが好適である。なお、酸素によるドライエッチング後、対象の半導体基板（撮像素子チップの形成されたシリコンウエハ）を大気に出す時に大気中の水分により樹脂表面への水分吸着が行われる。

樹脂材料の観点から、荒れた表面を得るためには、直鎖部分の多いポリマー骨格であるほうが良い。樹脂耐熱性の観点からは、ベンゼン環を多く含むようなポリマーが好ましいが、ドライエッチングその他の手法で表面を荒らす加工では、直鎖部分の多い樹脂／ポリマーの方が動きやすく、荒れた表面、あるいはポーラスな表面を得やすい。実際のポリマーや樹脂の選択に際しては、ゴミ異物付着のしにくさ、耐熱性、及び後述する反射率因子などを考慮することになる。逆に、ドライエッチングによる形状転写でのマイクロレンズ形成に用いる樹脂は、ベンゼン環を多く含む骨格の樹脂が好ましい。

マイクロレンズに用いる材料と平坦層に用いる材料の屈折率差は、集光効果を得るために大きい方が良い。マイクロレンズに用いる材料は、この観点で無機材料であればＣＶＤなどで簡便に形成できる窒化シリコン（ＳｉＮ_X ）が好適であり、有機材料であれば、フェノール樹脂、ポリスチレン樹脂、高屈折率のアクリル樹脂、ポリイミド樹脂が良い。これらの樹脂骨格に高屈折率化のためにハロゲン基やイオウ基などを導入したものを採用しても良い。尚、平坦層は、前記したように透明な有機樹脂が好ましい。

マイクロレンズと、マイクロレンズ上に積層される平坦層との屈折率差は０．１以上、好ましくは０．１５以上あることが好ましい。既存の透明材料や有機樹脂との組み合わせで、屈折率差を大きめにとることが集光効果とマイクロレンズ製造設計の自由度を高くできる。通常、マイクロレンズないしレンズ母型の材料には、感光性、アルカリ現像性および熱リフロー性あるフェノール樹脂、ポリスチレン樹脂が使用されている。公知のフォトリソグラフィーの手法で、断面矩形のパターンを形成し、これを熱処理して熱リフロー（溶かして）で半球状に形成する方式が最も一般的である。熱リフロー時に、隣接するマイクロレンズ間のギャップ（隙間）を小さくすることと、断面半球状の形状の良いレンズであることが同時に要求される。

しかし、熱リフロー方式では、薄すぎるレンズと厚すぎるレンズの形成は比較的むつかしい。薄すぎるレンズ、例えば、アスペクト比０．１４以下、厚みで言えば２μｍのレンズ径で０．３μｍ膜厚未満のマイクロレンズは、丸くなりにくく、断面台形状になりやすい。また、厚すぎるレンズ、例えば、アスペクト比０．４以上のレンズは、熱リフロー時に外形が太りやすく０．３μｍ前後の狭いギャップのマイクロレンズを形成しにくい。隣接するマイクロレンズが熱リフロー時に融着して不良原因になってしまう。

マイクロレンズとマイクロレンズ上に積層される平坦層との屈折率差を０．１以上、好ましくは０．１５以上とり、かつ、０．６以上の差とならない範囲に設定することにより、不良に結びつく“厚すぎる”あるいは“薄すぎる”マイクロレンズ設計を避けることができる。屈折率差が、０．６以上の大きい差になると薄いレンズを形成する必要があるが、熱リフローでのレンズ形成では熱リフローでの流動化に制限があり、アスペクト比が上記のように０．１４以下の薄いレンズ形成は難しい。尚、アスペクト比は下記の式により表される。
アスペクト比 ＝ マイクロレンズ高さ / マクロレンズ直径
材料を有機樹脂とし、マイクロレンズと、マイクロレンズ上に積層される平坦層との屈折率差が０．１５〜０．２５の範囲内であれば有効なマイクロレンズ設計が可能である。マイクロレンズをＳｉＮなど高屈折率の無機材料まで含めれば、この適用可能範囲は、さらに広げることが可能である。フッ素系アクリル樹脂に代表される低屈折率樹脂は、塗布適性、密着力、耐熱性、耐薬品性を合わせ考慮すると、その屈折率の下限は凡そ１．３８となる。尚、塗布形成できる材料として１．３５以下の低屈折材料もあるが、密着性、耐
薬品性、コスト面で採用しづらい。

本発明に採用可能な平坦層の屈折率は限定するものでないが、撮像素子の最表面に位置するため、表面からの反射光は、撮像素子モジュールのカバーガラスや上部レンズに再反射し再入射する形でノイズになる。表面からの反射光を減少させるため、低屈折率であるほうが良い。本発明の平坦層表面の荒れは、光の波長レベルで、例えば、λ／４程度の凹凸で表面を荒らすことにより、ゴミ異物付着の軽減に寄与すると同時に反射光軽減の効果を合わせ得ることもできる。

請求項６に係わる発明における粗化した表面の粗化の凹凸は、光の波長のλ／４程度のレベルで低反射率が得られるよう最適化すれば良い。遮光膜は、およそ３５０ｎｍから６００ｎｍ近傍の紫外線領域を含むおよそ可視光の範囲の光をカットして、半導体デバイスの受光素子近傍に迷光として回り込みノイズ原因となることを防止することが第一義である。

複数色の一つの青（Ｂｌｕｅ）を遮光膜兼用として用いることも可能であるが、上記光の波長をカットすることが好ましく、この意味で遮光膜の吸収を以下、“Ｂｌａｃｋ”（Ｂｌｋと略記）と呼ぶ。赤外カットフィルタを撮像素子モジュールの外付けの形で用いない場合は、６００ｎｍ以降の長波長の光を含めて、カットすることが好ましい。一般に多用されている赤外カットフィルタは、５５０ｎｍ付近から徐々に吸収を持たせ７００ｎｍ以降の長波長をカットする特性のフィルタを用いているため、赤外カットフィルタを用いる撮像素子のシステムでは、遮光膜の吸収領域（Ｂｌｋ）は、ほぼ上記の凡そ３５０ｎｍから６００ｎｍ近傍の紫外線領域を含むおよそ可視光の範囲で十分である。

しかしながら、複数の有機顔料を混合してのＢｌｋ、また、赤外吸収を付与するカーボンやグラファイトを顔料とするＢｌｋ、これらの表面反射率は凡そ６〜７％とかなり大きい。本発明に係る平坦層の主な目的は、後工程のダイシングなどでのゴミ付着防止であるが、撮像の有効画面外である遮光膜の上にも積層することにより、遮光膜と平坦層界面からの反射率を、例えば、当界面からの反射率は０．５％以下といった極めて小さくできる。
平坦層とマイクロレンズの界面も空気（屈折率１）との差ほど屈折率差が無いため、同様に０．５％以下の極めて低い界面反射となる。さらに 低屈折率の材料を平坦層に用いること、加えて平坦層の表面の粗化を工夫することにより平坦層表面からの反射を抑制できる。

請求項７に係わる発明は、マイクロレンズが、断面形状もしくは厚みの異なるマイクロレンズを合わせて配列したマイクロレンズであることを特徴とする固体撮像素子である。微細画素、特に２．２μｍ画素ピッチ以下の撮像素子では、光電変換素子を画素の中央にレイアウトすることが難しくなる。あるいは、図８に示すように、半導体基板７１（撮像素子のチップ）のチップ中央部とその端部では入射する光の角度が必然的に異なるものとなる。これらから、マイクロレンズの形状を非球面としたり、あるいは レンズ高さ（レンズ厚み）を 要求される光学特性に合わせて最適化することが望ましい。

本発明に採用する樹脂に、赤外線吸収機能、あるいは紫外線吸収機能をもつ色材（有機顔料や染料など）を添加しても良い。紫外線吸収機能の付与のために、アントラセン類やキノン類を モノマーやポリマーにペンダントさせたり、ポリマー重合時に組み込んでも良い。

赤外吸収機能を持つものとして、酸化インジウムや酸化錫、酸化アンチモン、ジルコニア、セリアなどの金属酸化物の微粒子、ほかシアン顔料に代表されるフタロシアニン系有
機顔料などがあり、いずれも微粒子の形で本発明に適用可能である。染料系の赤外線吸収剤には、アントラキノン系化合物、フタロシアニン系化合物、シアニン系化合物、ポリメチレン系化合物、アゾ化合物、ジイモニウム系化合物、イモニウム系化合物などがあり、これらの適用が可能である。

紫外線吸収機能をもつものとして、酸化セリウムや酸化チタンなどの金属酸化物微粒子を用いても良い。ベンゾトリアゾール系、ベンゾフェノン系、トリアジン系、サリシレート系、クマリン系、キサンテン系あるいはメトキシケイ皮酸系の有機化合物などが挙げられ、これらの材料を添加、あるいはポリマーにペンダントしても良い。

以下の実施例で本発明を詳細に説明する。
なお、実施例１では、青（Ｒ）、緑（Ｇ）、赤（Ｂ）、Ｂｌｋの４色構成の撮像素子で、実施例２では、白（透明）、黄、赤、Ｂｌｋの４色構成の撮像素子で記載した。また、Ｂｌｋ（遮光膜の吸収）は、遮光膜を形成する構成で示したが、カラーフィルタに用いる複数色を重ねた構成であっても良い。遮光膜は、緑、青、赤の３色構成の撮像素子においては、青の単色でこれを兼用しても良い。また、以下の実施例にて、平坦層をフッ素系アクリル樹脂のみで例示しているが、高耐熱性のアクリル樹脂などで形成しても良い。なお、フッ素系アクリ樹脂と高耐熱性のアクリル樹脂では、後者の樹脂材料の屈折率が高いため、マイクロレンズに用いる材料の屈折率をより高い材料、例えば、屈折率２．１の窒化シリコンなどで形成する必要がある。

本発明の固体撮像素子は、図１に示すように、光電変換素子１０を有する半導体基板１１上に紫外線吸収膜１３、カラーフィルタ１４、マイクロレンズ１８、平坦層１９を積層したものである。
紫外線吸収膜１３は、フォトリソグラフィーの工程において、カラーフィルタ１４をパターン精度、形状良く形成するためのものであり、カラーフィルタ形成前に塗布、形成しておく。紫外線吸収膜１３は、前記したような透明樹脂に紫外線吸収機能を組み込んだ材料で、例えば、０．０８μｍ膜厚で形成する。

カラーフィルタ１４は、青（Ｒ）、緑（Ｇ）、赤（Ｂ）の有機顔料をそれぞれ分散した、例えば、アクリル系感光性樹脂を用いたカラーレジストにて、塗布、乾燥、露光、現像、硬膜などのプロセスを経て、およそ０．８μｍ膜厚で形成したものである。遮光膜１７は、Ｂｌｋ（遮光膜の吸収）にて１μｍ膜厚に形成した。Ｂｌｋは、ステッパー装置での露光、アライメントを含むフォトリソグラフープロセスでの適合のため、４００〜６００ｎｍの可視域に於いて約８％の透過率を持たせている。

マイクロレンズ１８は、ＵＶ吸収剤を５％含有する熱硬化タイプのアクリル樹脂（屈折率１．５８）より形成されている。当アクリル樹脂は、屈折率を高めるためにＵＶ吸収剤を含有させ、かつ、そのポリマー骨格には、同様に高屈折率化のためにベンゼン環を導入してある。なお、実施例１においてマイクロレンズ１８の樹脂材料へのＵＶ吸収剤の添加は必須条件ではないが、ドライエッチングでの表面荒れ軽減や高屈折率保持のためにもUV吸収剤を添加することが好ましい。

図３に撮像素子１チップの概略平面図を示した。光電変換素子、カラーフィルタ、マイクロレンズが積層される有効撮像面３８、遮光膜３７、アルミニウムからなる電極パッド３２の平面的な位置関係を示した。
図１に示した平坦層１９は、屈折率１．４のフッ素系アクリル樹脂（熱硬化タイプ）により形成されている。平坦層１９の表面は、図４のＳＥＭ像に示すように、ほぼλ／４相当の凹凸が形成されている。本発明による固体撮像素子の形成された半導体基板をダイシン
グしたところ、平坦層１９表面にダイシング屑などのゴミ付着は殆ど観察されなかった。ゴミ付着が観察されたとしても、超音波を導入した純水の洗浄水を流す程度で容易に洗浄できた。

また、本発明に採用の平坦層１９の反射率を（株）村上色彩技術研究所の積分球を用い、拡散光による全反射率を測定したところ、その表面の反射率は、約１．５％であった。通常のマイクロレンズ材料として用いられるフェノール樹脂（屈折率１．６）による平坦層（表面荒れなし）の表面反射率は、約６％であった。なお、反射率測定は、実施例の半導体基板を用いず、シリコンウエハーに黒色塗料を塗布し、この上に平坦層を形成したものを用いた。本発明に採用の平坦層１９には、後述するドライエッチングを施して表面を粗化させた。

実施例１の製造方法につき、図２（１）〜（４）を用いて、以下、詳細に説明する。図２（１）に示すように、０．０８μｍ膜厚の紫外線吸収膜１３、０．８μｍ膜厚のカラーフィルタ１４、０．８μｍ膜厚の遮光膜１７、熱リフローで形成しレンズ母型２２、エッチング制御層２１、屈折率１．５８の透明樹脂２８を形成した半導体基板１１を準備した。
なお、半導体基板１１には、あらかじめ光電変換素子１０、アルミニウムのパッド１２が形成されている。エッチング制御層２１には、フェノールノ系の樹脂を厚み約１μmで塗布したもので、レンズ母型の形状転写時にレンズ母型のレンズ間ギャップより小さいレンズ間ギャップに、中間レンズ２３（図２（２））として加工する作用と、また、中間レンズ２３及び最終のマイクロレンズ１８（図２（３））のレンズ表面荒れを抑制する作用を持たせるものである。

次に、図２（２）に示すように、ドライエッチング装置にて、Ｃ₃ Ｆ₈ ガスを用いてドライエッチングを行い、レンズ母型２２の形状をエッチング制御層２１に形状転写し中間レンズ２３とした。さらに、ＣＦ₄ ガスを用いてドライエッチングを行い、透明樹脂２８に中間レンズの形状を転写し、図２（３）に示すマイクロレンズ１８とした。このとき、透明樹脂２８の一部と紫外線吸収膜１３のあわせ約０．１μｍの透明樹脂膜がアルミニウムのパッド１２に残る形とした。

次に、図２（４）に示すように、フッ素系アクリル樹脂液を用い、スピンコーティングの手法にて１．２μｍ膜厚にて平坦層１９を塗布形成し、さらにフェノールノボラック系感光性樹脂を用いて１μｍ膜厚のレジストパターン２４を、平坦層１９を覆うように、かつ、アルミニウムのパッド１２の部分を除くように形成した。アルミニウムのパッド１２の位置に相当する部分には、開口を露光、現像のフォトリソグラフィーのプロセスで形成した。

図２（４）に示した半導体基板にドライエッチング装置にてドライエッチングを施し、アルミニウムのパッド１２の表面を露出させると同時に、レジストパターン２４を除去し、図１に示す固体撮像素子とした。ドライエッチングには、酸素を用いた。実施例１の平坦層の表面には、この際のドライエッチングによって図４に示した、およそ０．１μｍ〜０．２μｍサイズの柱状の荒れが形成された。

実施例２の撮像素子は、図５に部分断面図を、図６に部分平面図を示すように、光電変換素子５０を有する半導体基板５１上に紫外線吸収膜５３、カラーフィルタ５４、５５、５６、マイクロレンズ５８、平坦層５９を積層したものである。紫外線吸収膜５３は、フォトリソグラフィーの工程において、カラーフィルタ５４、５５、５６をパターン精度、形状良く形成するためのもので、カラーフィルタ形成前に塗布、形成しておく。紫外線吸
収膜５３は、前記したような透明樹脂に紫外線吸収機能を組み込んだ材料で、例えば、０．０８μｍ膜厚で形成する。

カラーフィルタは、白（透明）５５、黄５４、赤’５６の有機顔料を それぞれ 分散したカラーレジスト（アクリル系感光性樹脂）にて、塗布、乾燥、露光、現像、硬膜などのプロセスを経て、およそ０．９μｍ膜厚で形成したものである。遮光膜５７は、Ｂｌｋ（遮光膜の吸収）にて０．９μｍ膜厚に形成した。Ｂｌｋは、有機顔料とカーボン微粒子の混合として可視光のみならず、近赤外光を吸収、カットできる遮光性とした。
なお、実施例２での撮像素子の青、緑、赤のそれぞれの色は、白（透明）５５、黄５４、赤’５６ の受光素子出力値に対して、
青 ＝ 白 − 黄
緑 ＝ 黄 − 赤’
の演算処理で 得られる。

実施例２による撮像素子の形成された半導体基板をダイシングしたところ、平坦層５９表面にダイシング屑などのゴミ付着はほとんど観察されなかった。ゴミ付着が観察されたとしても、超音波洗浄水を流す程度で容易に洗浄できた。
なお、実施例２において、黄の画素の一部を 赤外透過フィルタ（Ｂｌｋ’）とする構成としても良い。この場合、通常の撮像素子モジュールで用いられる赤外カットフィルタを使用せず、赤外透過フィルタの受光による積分値（受光強度）を引き算する下式で青、緑、赤の色分離が可能となる。赤外透過フィルタ（Ｂｌｋ’）に用いる色材は、公知の有機顔料の組み合わせにて可能である。例えば、バイオレット顔料と赤の顔料を混合分散させる形でほぼ目的とする赤外透過フィルタが得られる。

青 ＝ 白 − 黄
緑 ＝ 黄 − 赤’
赤 ＝ 赤’− Blk'
実施例２の製造方法につき、図７（１）〜（５）を用いて以下に説明する。
図７（１）に示すように、０．０８μｍ膜厚の紫外線吸収膜５３、０．９μｍ膜厚の黄フィルタ５４、赤’フィルタ（図示せず）、有機顔料とカーボンの混合を色材とする０．９μｍ膜厚の遮光膜５７を形成した半導体基板５１を準備した。

図７（２）に示すように、実施例１で用いたＵＶ吸収剤を含有するアクリル樹脂液を用い、スピンコーティングの手法にて１．８μｍ膜厚にて透明樹脂６８を、次にフェノールノボラック系樹脂による１μｍ厚みのエッチング制御層６１、および公知の熱フロープロセス技術で熱リフローレンズをレンズ母型６２をそれぞれ形成した。

次に、レンズ母型をマスクとしてフロン系ガスＣ₃ Ｆ₈ を用いたドライエッチングにてエッチング制御層６１を異方性エッチングし、図７（３）に示す中間レンズ６３を形成した。中間レンズ６３のレンズ間はゼロで，隣接するレンズがくっつく状態となった。さらにエッチングを進めて、中間レンズ６３の形状を透明樹脂６８に写し込み、図７（４）に示すマイクロレンズ５８とした。なお、透明樹脂６８の樹脂材料は、実施例１と同じくＵＶ吸収剤を５％含有するアクリル樹脂とした。

以下の工程は、実施例１と同様である。図７（５）に示すように、ノボラック系感光性樹脂を用いて２μｍ膜厚のレジストパターン６４をフッ素系アクリル樹脂による平坦層５９を覆うように、かつ、アルミニウムのパッド５２の部分を除くように形成した。アルミニウムのパッド１２の位置に相当する部分には、開口を露光、現像のフォトリソグラフィーのプロセスで形成した。
図７（５）に示した半導体基板を、ドライエッチング装置にてドライエッチングを施し、
アルミニウムのパッド５２の表面を露出させると同時に、レジストパターン６４を除去し、図５に示す固体撮像素子とした。ドライエッチングには、酸素（Ｏ₂ ）を用いた。

本発明による実施例３の撮像素子は、図８に示すように光電変換素子７０を有する半導体基板７１上に紫外線吸収膜７３、カラーフィルタ７４、マイクロレンズ７８、平坦層７９を積層した構成であり、ほぼ実施例１の構成と同様である。
実施例１と異なる点は、図９（１）に示すように，マクロレンズのマスク（実際にはステッパー露光装置向けの５倍レチクル）のパターンを「コの字」形状として、熱リフローとドライエッチング加工での形状変化を利用して、マイクロレンズ中心が画素中心とずれた非対称のレンズの形状に加工した点である。

上記形状変化につき、図９（１）〜（４）で説明する。図９（２）は、図２（１）のレンズ母型２２に相当する熱リフロー後のレンズ母型のＳＥＭ像（平面図）である。図９（１）に示したパターンの形状に沿って凹部７２が形成されている。この凹部７２は、Ｃ₃ Ｆ₈ 、Ｃ₄ Ｆ₈ のフロロカーボン系ガス、ＣＦ_X のデポ性の強いドライエッチングにより、断面半球状に近づけることができる。
図９（３）にドライエッチング後のマイクロレンズ平面図、図９（４）にその断面図をそれぞれＳＥＭ像で示した。図９（４）に示されるように、レンズ中心がおよそ０．１５μｍほど画素中心よりずれたマイクロレンズを形成することができた。

なお、実施例３に於いて、パターンの一部を切り欠いた形状での例示を行ったが、例えば、マスク上でレンズパターン内におよそ０．２μｍの白抜きやスリットを入れることにより、熱リフロー時にレンズ母型の体積調整から最終的にマイクロレンズの高さ（曲率）を調整できる。加えて、こうしたスリットや切り欠きの位置、大きさを調整することにより、マイクロレンズの断面形状やその中心位置を調整できる。

本発明による撮像素子の実施例１の部分断面図である。 実施例１の撮像素子の製造方法の工程を示す部分断面図である。 実施例１の撮像素子のチップ外観を示す平面図である。 本発明における粗化された平坦層表面のＳＥＭ像である。 本発明による撮像素子の実施例２の部分断面図である。 本発明による撮像素子の実施例２の部分平面図である。 実施例２の撮像素子の製造方法の工程を示す部分断面図である。 本発明による撮像素子の実施例３の部分断面図である。 非対称レンズ加工の説明図である。 カバーガラスを配設した構成の説明図である。

符号の説明

１０、５０、７０・・・光電変換素子
１１、５１、７１・・・半導体基板
１２、５２、７２・・・アルミニウムのパッド
１３、５３、７３・・・紫外線吸収層
１４、５４、５５、５６、７４・・・カラーフィルタ
１７、５７、７７・・・遮光膜
１８、５８、７８・・・マイクロレンズ
１９、５９、７９・・・平坦層
２１、６１・・・エッチング制御層
２３、６３・・・中間レンズ
２４、６４・・・レジストパターン
２５、６５・・・開口部
２８、６８・・・透明樹脂

Claims (6)

1. 撮像の有効画面内に２次元的に配設された光電変換素子と、有効画面の外周に外部との電気的接続をとるための電極パッドが形成された基板の上方に、該光電変換素子の各々に対応した複数色のカラーフィルタとマイクロレンズが順次に積層され、更に該マイクロレンズを覆うように平坦層が積層された撮像素子の製造方法において、以下の（１）〜（４）の工程を備えることを特徴とする撮像素子の製造方法。
   （１）マイクロレンズを形成する工程、
   （２）マイクロレンズの屈折率より低い屈折率を有する透明樹脂の塗布液を用いて、マイクロレンズが形成された半導体基板の全面に平坦層を形成する工程、
   （３）該平坦層の有効画面内は覆われ、電極パッド上には開口を有するレジストパターンを形成する工程、
   （４）電極パッド上方の平坦層を除去して、電極パッドを露出させた開口部を形成し、同時にレジストパターンを除去し、同時に平坦層の表面を粗化するドライエッチング工程。
2. 前記マイクロレンズを形成する工程が、熱フローレンズを母型として透明樹脂にレンズ形状をドライエッチングにより転写する形状転写であり、該形状転写にてアルミニウムのパッド上に厚さ０．０５〜０．２５μｍの透明樹脂膜を残すことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子の製造方法。
3. 前記形状転写に用いる導入ガスが、フロロカーボン系ガスであることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子の製造方法。
4. 前記電極パッド上方の平坦層の除去に用いる導入ガスが、酸素であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子の製造方法。
5. 撮像の有効画面内に２次元的に配設された光電変換素子の上方に、該光電変換素子の各々に対応した複数色のカラーフィルタとマイクロレンズが順次に積層された撮像素子において、該マイクロレンズ上および撮像の有効画面外の遮光膜上に粗化した表面を有し、かつ、電極パッド上に開口部を有する平坦層を形成したことを特徴とする撮像素子。
6. 前記マイクロレンズが、断面形状もしくは厚みの異なるマイクロレンズを合わせて配列したマイクロレンズであることを特徴とする請求項５に記載の撮像素子。