JP5017812B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

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に関し、特に少なくとも、複数の受光素子と個々の受光素子と受光素子上にカラーフィルターが設けられた画素からなり、カラーフィルターが画素毎に複数色のなかから選択される一色である固体撮像素子に関する。

携帯電話やデジタルカメラ等のイメージセンサーは、アプリケーションの小型化やウエハ当りの面付けを増やしコストダウンを図る目的から、そのチップサイズの小型化が進んでいる。

一方、通信のインフラが整備されまた、これらのアプリケーションの記録媒体の情報大容量化が近年加速的に改善され、これまで３０〜１００万画素程度の画素数であったものが高画素化に移りつつある。

これらの背景に従い、画素サイズは年々小さくなり、２μｍを切るところまできている。
イメージセンサーのチップサイズと画素サイズの関係は表１の通りである。

表１から画素サイズが１．８μｍ程度であればＭＥＧＡでは１／６型、３ＭＥＧＡでは１／４型、５ＭＥＧＡでは１／３．２型のチップサイズが実現できることがわかる。

ところで携帯電話やデジタルカメラ等のイメージセンサーのカラー化にはカラーフィルタ−を用いている。また、感度を確保する目的で、カラーフィルターの上部にマイクロレンズを配設している。

これらのオンチップカラーフィルターの製造法としては、Ｃ−ＭＯＳやＣＣＤ等の受光素子が形成されたデバイス基板上を透明な樹脂で平滑する工程と、その透明平滑層上に３原色（ＲＧＢ）あるいは補色（ＹＭＣＧ）のカラーフィルターを形成する工程と、そのカラーフィルター上を透明な樹脂で平滑する工程と、そのカラーフィルター上の透明平滑層上にマイクロレンズを形成する工程と、電極を取るためのＰＡＤ部の透明樹脂をエッチングで抜く工程からなる。

カラーフィルターを形成する具体的な方法としては、一般的に顔料印刷法、顔料分散法、染色法、染料分散法等があるが、イメージセンサーを搭載するアプリケーションの特性や信頼性に依存して決められる場合が多い。例えば、顔料よりも色素粒子が細かい染料は、ノイズが小さく、透過率が高いため、顔料分散法によって形成されたカラーフィルターと比較して、高感度になる。小画素が進めば特に有効といわれている。

しかしながら、耐熱性，耐光性に劣るため、例えば携帯電話に搭載されるイメージセンサーにはその仕様を満たさない場合が多い。また、近年環境配慮からパッケージングでの鉛フリー化が進みつつある。鉛フリーではんだリフローを行う場合、約２６０℃の温度が必要とされ、染料は分解し、カラーフィルターとしての機能を失う。

従って、イメージセンサーのカラー化には、耐熱性や耐光性に優れ、比較的安価な顔料を用いたカラーフィルターを用いる場合がほとんどである。

顔料カラーフィルターの形成方法としては、サブミクロンオーダーで制御する必要があることから、樹脂中に顔料を分散した顔料ペーストと、光開始剤と光硬化や膜厚調整をするための樹脂（モノマーやポリマー）を混合し、精密ろ過した顔料分散カラーレジストをスピンナー等の塗布装置で塗布し、位置制御に優れるステッパーを使って露光し、次いでアルカリ水溶液で現像し、最後に１８０℃以上の樹脂硬化する温度で硬化させる工程からなる。

３原色のカラーフィルターの場合は、例えば１色目に緑、２色目に赤、３色目に青を
上記方法で順次形成すれば良い。

この様なカラーフィルターの色を出すための顔料は、例えば、赤の場合は、緑色と共通する黄色成分と、赤色から黄色成分を除いた基礎赤色成分からなる顔料を用いていた。また、同様に緑の場合は、赤色とで共通する黄色成分、緑色から黄色成分を除いた基礎緑成分からなる顔料を用いていた。

ところで、イメージセンサーの小画素化が進むと一画素内に取り込める光の量が小さくなり、また、ノイズも大きくなるため、イメージセンサーの主特性であるＳＮ比が劣化する傾向がある。このため、カラーフィルターの上部にはマイクロレンズを配設している。

しかしながら、マイクロレンズの底部から受光部まで距離（以下、レンズ下距離）が大きいと取り込める光の角度が制限され、十分な感度が得られない不具合が生じる。例えば、携帯電話に搭載されるイメージセンサーの前面に配設されるカメラレンズからイメージセンサー表層に到達する光は、約２０°の角度を持っている。この角度を持った光を集め、イメージセンサーの受光部に集光させることが感度向上につながる。レンズ下距離が小さいほど感度は上がるため、可能な限りレンズ下距離を薄くすることが重要であり、カラーフィルターの薄膜化が課題となっている。

例えば、２．５μｍ画素で膜厚を約１．１μｍとしたものと、１．５μｍ画素で２．５μｍ画素と同等の集光効果を得るためには０．６μｍの膜厚が必要となる。

しかし、カラーフィルターの分光特性を浮かせることで膜厚を薄くすることは可能であるが色分離が悪くなる不具合が生じる。カラーフィルターは前記した様に顔料分散法を用いる場合がほとんどであるが、カラーフィルターの顔料濃度は約５０〜６０％で残りは樹脂分となっている。

例えば、前記した１．１μｍ厚みの顔料分散カラーフィルターを０．６μｍの厚みとした場合、顔料濃度は約９２％となり、顔料分散機能や樹脂硬化機能（顔料粒子間を接着する機能）がなくなる不具合が生じる。

なお、４色の固体撮像素子として特許文献１の様な技術は公知だが、従前のＲＢＧ三色は従来と同様であった。

以上が表である。

特許文献は以下の通りである。
特願２０００−３１８０８１号公報

本発明が解決しようとする課題は、イメージセンサーの小画素化に対応した顔料分散カラーフィルターを有する固体撮像素子の提供であり、薄膜で高感度なカラーフィルター性能を持つ固体撮像素子を提供することにある。

請求項１記載の発明は、少なくとも、受光素子と該受光素子上に設けられたカラーフィ
ルタとからなる画素を複数有し、
前記カラーフィルタは、緑色、青色、赤色、黄色の４色カラーフィルタであり、
各受光素子で観測された結果を演算して、赤色と緑色と青色の３原色の分光特性を求め、
３原色の赤色と緑色の分光特性を求める演算は、各受光素子で観測された結果を掛け合わせるものであり、
３原色の赤色は、黄色のカラーフィルタを透過した光から観測された結果と、赤色のカラーフィルタを透過した光から観測された結果を掛け合わせるものであり、
３原色の緑色は、黄色のカラーフィルタを透過した光から観測された結果と、青色のカラーフィルタを透過した光から観測された結果を掛け合わせるものであり、
且つ、３原色の青色の分光特性を求める演算は、青色のカラーフィルタを透過した光を受光素子で観測された結果と等しくするものであり、
それぞれの受光素子上に配設されるカラーフィルタが、青色系顔料もしくは青色系顔料と紫色系顔料とを混合した顔料からなる青色カラーフィルタと、黄色系顔料からなる黄色カラーフィルタと、基礎緑成分の顔料からなる緑色カラーフィルタと、基礎赤色成分の顔料からなる赤色カラーフィルタとの４色のカラーフィルタからなることを特徴とする固体撮像素子を提供するものである。

請求項２記載の発明は、前記青色カラーフィルタが、青色系顔料からなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子を提供するものである。

請求項３記載の発明は、前記４色カラーフィルタが、２×２の４マスに配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子を提供するものである。

本発明は、ＲＧＢ原色の特性を、緑’（Ｇ'）１２、青（Ｂ）１３、赤’（Ｒ'）１４、および黄（Ｙ）１５の４色フィルターで演算処理によって提供できる。

本発明にかかわるカラーフィルターは、従来のＲＧＢ原色カラーフィルターよりも薄い膜厚で形成できるので、レンズ下距離の薄膜化が図れ、図１０の様な、本願のカラーフィルターの厚さ２０１と従来のカラーフィルターの厚さ２０２の差により本願のカラーフィルターの集光範囲２１１と従来のカラーフィルターの集光範囲２１２の差によりマイクロレンズの集光効果を高めることがでる。

さらに、従来、緑を配置する位置に緑と赤の分光特性を持つ黄を配置することにより画素単位での感度向上が図られ、小画素サイズの特に２μｍ以下のイメージセンサーの感度向上に効果がある。

以下、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

図１は、本発明による固体撮像素子の一実施例を示す部分平面図であり、その画素配列を示している。図１−ａ及び図１−ｂは、本発明による固体撮像素子の断面図である。

以下、３原色を青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の３原色とする。黄（Ｙ）は、緑（Ｇ）と赤（Ｒ）とに共通で含まれる黄成分（黄（Ｙ））。緑’（Ｇ'）は、緑（Ｇ）から黄成分（黄（Ｙ））を除いた基礎緑成分。赤’（Ｒ'）は、赤（Ｒ）から黄成分（黄（Ｙ））を除いた基礎赤色成分とする。従来と同様な青色を以下青（Ｂ）１５として示す。

図１は、緑’（Ｇ'）１２、黄（Ｙ）１３、赤’（Ｒ'）１４、および青（Ｂ）１５を示す。図１−ａは、図１のＸ−Ｘ’方向の、図１−ｂは、図１のＹ−Ｙ’方向断面図であ
る。

それぞれの受光素子上に配設されるカラーフィルターが、緑’（Ｇ'）、黄（Ｙ）、赤’（Ｒ'）、青（Ｂ）１５の４色の可視光透過フィルターから構成されることを特徴とする固体撮像素子である。

本発明での青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の３原色を得るための演算式は、
青（Ｂ）＝青（Ｂ）
緑（Ｇ）＝黄（Ｙ）×緑’（Ｇ’）
赤（Ｒ）＝黄（Ｙ）×赤’（Ｒ’）
である。

ここで、緑’（Ｇ'）、黄（Ｙ）、赤’（Ｒ'）、青（Ｂ）は、各受光素子の結果である。すなわち、緑’（Ｇ'）、黄（Ｙ）、赤’（Ｒ'）、青（Ｂ）のカラーフィルターを透過した光を、対向した受光素子で受け、各受光素子で観測された結果をいう。

従来の緑（Ｇ）、赤（Ｒ）のカラーフィルターは、緑’（Ｇ'）と黄（Ｙ）及び赤’（Ｒ'）と黄（Ｙ）の顔料色素を混ぜて構成されている。従って、本発明では、この２つの成分を分けて、緑’（Ｇ'）、黄（Ｙ）、赤’（Ｒ'）の３色のカラーフィルターとすることで各々の膜厚を薄くできる。

そして、これに青（Ｂ）を加え、図９の様な４色のカラーフィルターとすることで、従来のＲＧＢ原色フィルターの分光特性を演算処理にて求めることができる。

この様に共通する顔料成分による画素を別に設けることにより個々の画素のカラーフィルターの厚さを薄くすることが可能になった。

この場合、本発明は、カラーフィルターとしてのトータル膜厚を薄くすることで感度を上げることが目的であるから、色間との膜厚整合性をとるために緑’（Ｇ'）及び赤’（Ｒ'）については、黄（Ｙ）の一部を混合しても良い。

要するに、多くの顔料の量から構成しなければならないためにどうしても膜厚が厚くなってしまう画素の厚さを減らすために、複数の画素のカラーフィルターに分散させることにより、個々の画素におけるカラーフィルターの膜厚を薄くすることができるものである。

この場合、複数の色の撮像に必要となる顔料成分がある場合に、その共通成分の一部もしくは全部を別の画素とすることにより、複数の画素のカラーフィルターの膜厚を減らすことが可能になる。

なお、この様な演算は固体撮像素子内に組み込んだ論理回路でデータ処理してもよいし、固体撮像素子の出力をそのまま行い、別途回路で演算してもよいし、画像処理時に処理を行っても良い。

複数の受光素子と個々の受光素子と受光素子上にカラーフィルターが設けられた画素からなり、そのカラーフィルターが緑’（Ｇ'）、黄（Ｙ）、赤’（Ｒ'）、および青（Ｂ）
が繰り返し設けられている。

カラーフィルター膜厚は、それぞれ０．７μｍ、画素ピッチは１．８μｍとした。その上に平均膜厚０．１μｍの平坦化層を設けた。なお、薄く形成することを目的に平坦化層１１を省略しても良い。

図２−１には緑’（Ｇ'）１２と黄（Ｙ）１３、図２−２には赤’（Ｒ'）１４と黄（Ｙ）１３のそれぞれの分光特性と演算（積算）後の分光特性を示した。また、図３には、図２−１及び図２−２の演算処理で得られた緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の分光特性に青（Ｂ）１５を加えたＢ、Ｇ、Ｒ、４００ｎｍ〜７００ｎｍの分光特性を示した。緑（Ｇ）、赤（Ｒ）それぞれ従来の原色カラーフィルターと同じ透過率をもっていることが示された。

実施例１で使用したカラーフィルターに用いる色素（顔料）とその膜厚を次に示す。

黄（Ｙ）のカラーフィルターに用いる顔料はＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９とＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１５０を混合したものでその混合比率は、６．３：３．７であり、黄色カラーフィルターとしての顔料濃度は約２５％である。また、黄（Ｙ）のカラーフィルター膜厚は、０．６μｍであった。

緑’（Ｇ'）のカラーフィルターに用いる顔料はＣ．Ｉ．ピグメントグリーン３６とＣ．Ｉ．ピグメントグリーン７を混合したものでその比率は７：３であり、緑’色カラーフィルターとしての顔料濃度は約５０％である。また、緑’（Ｇ'）のカラーフィルター膜厚は、０．７μｍであった。従来の緑（Ｇ）のカラーフィルター膜厚は、図３に示す分光特性の場合、０．９μｍであったため、０．２μｍの薄膜化が図れた。

赤’（Ｒ'）のカラーフィルターに用いる顔料はＣ．Ｉ．ピグメントレッド２５４とＣ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１を混合したものでその混合比率は、８．３：１．６であり、赤色カラーフィルターとしての顔料濃度は約５３％である。また、赤’（Ｒ'）のカラーフィルター膜厚は、０．７μｍであった。従来の赤（Ｒ）のカラーフィルター膜厚は、図３に示す分光特性の場合、１μｍであったため、０．３μｍの薄膜化が図れた。

青（Ｂ）のカラーフィルターに用いる顔料はＣ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６とＣ．Ｉ．ピグメントバイオレット２３を混合したものでその比率は８．３：１．７であり、青色カラーフィルターとしての顔料濃度は約４５％である。また、青（Ｂ）のカラーフィルター膜厚は、０．６μｍであった。

本実施例１では、図３に示す分光特性に合わせて調色したものであり、各色の分光特性によっては、前記していない例えば下記の顔料を用いても良い。

Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１８５、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１７７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１７９、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド２５４等これらの色素（顔料）を単体で用いても良いが数種を混合して所定の分光特性が得られるよう混合しても良い。

本発明による実施例１に示される固体撮像素子は、以下の工程で製造した。

図５に示したように、半導体基板１００上に、平坦化膜１１を塗布形成しこの平坦化膜１１上に公知のフォトリソグラフィーの方法にて緑’（Ｇ'）１２、黄（Ｙ）１３、赤’（Ｒ'）１４、および青（Ｂ）１５それぞれの画素をこの順で形成した。これら４色の画素上に平坦化効果を持ち、かつ、紫外線吸収剤を含有する熱硬化タイプのアクリル樹脂１６を平均膜厚およそ２μｍで塗布形成した。このあとアクリル樹脂１６上に熱フロー性（
熱処理により流動化し、丸くなる）を有し、かつ、アルカリ現像可能な感光性フェノール樹脂１７（図示せず）を約０．４５μｍ塗布形成した。

公知のフォトリソで矩形の感光性フェノール樹脂として、２００℃に加熱して流動化させ、およそ０．６μｍ高さの半球状のレンズ母型１８とした。レンズ母型をマスクとして、ドライエッチング装置で異方性のエッチングを行い、転写レンズ１９としてアクリル樹脂１６に形状転写して全体を固体撮像素子とした。

実施例１の赤’（Ｒ'）を図６に示す分光特性に置き換えた場合赤’（Ｒ'）のカラーフィルターに用いる顔料はＣ．Ｉ．ピグメントレッド２５４のみで赤色カラーフィルターとしての顔料濃度は約５５％である。また、赤色カラーフィルター膜厚は、約０．６μｍであった。本発明の赤は、約５３０ｎｍ波長領域に小さいピークが生じるが実施例１と比較してＣ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１を抜いた分だけ薄くできる。

実施例１の赤’（Ｒ'）を図７に示す分光特性に置き換えた場合赤’（Ｒ'）のカラーフィルターに用いる顔料はＣ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１７７を混合したものでその比率は９．２：０．８であり、赤色カラーフィルターとしての顔料濃度は約５０％である。また、赤色カラーフィルター膜厚は、約０．９μｍであった。
本発明の赤は、実施例１と比較して厚くなるが、５５０〜６００ｎｍ波長における透過率の立ち上がり特性が緩やかであり、実施例１の黄（Ｙ）との演算（積算）後の特性は、色再現性を重視するイメージセンサーに向いている。

実施例１の黄（Ｙ）を図８に示す分光特性に置き換えた場合黄（Ｙ）のカラーフィルターに用いる顔料はＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９とＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１５０とＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１８５を混合したもので、その比率は５：２．５：２．５であり、黄（Ｙ）のカラーフィルターとしての顔料濃度は約３０％である。
また、黄（Ｙ）のカラーフィルター膜厚は、０．７μｍであった。

本発明の黄（Ｙ）は、図３に示す緑の分光特性にみられる４８０ｎｍ波長における緑の“こぶ“を低減することができる。従って、実施例１の緑’（Ｇ'）との演算（積算）後の特性は、色再現性を重視するイメージセンサーに向いている。

＜比較例１＞
図４はＲＧＢ原色フィルターの色配置であり、図４−ａ及び図４−ｂはその断面図である。ＲＧＢの分光特性は、図３に示すものと同じである。

実施例１で使用したカラーフィルターに用いる色素（顔料）とその膜厚を次に示す。

緑（Ｇ）のカラーフィルターに用いる顔料はＣ．Ｉ．ピグメントグリーン３６とＣ．Ｉ．ピグメントグリーン７とＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９とＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１５０を混合したものでその混合比率は、１．８：４．５：２．３：１．４であり、緑（Ｇ）のカラーフィルターとしての顔料濃度は約４０％である。

赤（Ｒ）のカラーフィルターに用いる顔料はＣ．Ｉ．ピグメントレッド２５４とＣ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１とＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９とＣ．Ｉ．ピグメント
イエロー１５０を混合したものでその混合比率は、６．７：１．２：１．５：０．６であり、赤色カラーフィルターとしての顔料濃度は約５３％である。その時の膜厚は、緑（Ｇ）１１２のカラーフィルターが１．０μｍ、赤（Ｒ）１１４のカラーフィルターが１．０μｍ、青（Ｂ）１１５のカラーフィルターが０．６μｍであった。

本発明による固体撮像素子素子用カラーフィルターの部分平面図で、図１−ａ〜図１−ｂは本発明による固体撮像素子の部分断面図である。 本発明による固体撮像素子のカラーフィルター分光特性で、図２−１は本発明による固体撮像素子の緑のカラーフィルター分光特性、図２−２は本発明による固体撮像素子の赤のカラーフィルター分光特性である。 従来の原色カラーフィルターの分光特性である。 従来の固体撮像素子用カラーフィルターの部分平面図で、図４−ａ〜図４−ｂ 従来の固体撮像素子の部分断面図である。 本発明による固体撮像素子の工程説明図である。 本発明による固体撮像素子の赤のカラーフィルター分光特性である。 本発明による固体撮像素子の赤のカラーフィルター分光特性である。 本発明による固体撮像素子の緑のカラーフィルター分光特性である。 本発明と従来の固体撮像素子の画素の配置を示す平面図である。 本発明と従来の受光範囲の差を示す固体撮像素子の断面図である。

符号の説明

１００ ・・・ 半導体基板
１０１ ・・・ 受光素子
１１ ・・・ 平坦化層
１２ ・・・ 緑’（Ｇ'）フィルター
１３ ・・・ 黄（Ｙ）フィルター
１４ ・・・ 赤’（Ｒ’）フィルター
１５ ・・・ 青（Ｂ）フィルター
１９ ・・・ マイクロレンズ

Claims (3)

1. 少なくとも、受光素子と該受光素子上に設けられたカラーフィルタとからなる画素を複数有し、
   前記カラーフィルタは、緑色、青色、赤色、黄色の４色カラーフィルタであり、
   各受光素子で観測された結果を演算して、赤色と緑色と青色の３原色の分光特性を求め、
   ３原色の赤色と緑色の分光特性を求める演算は、各受光素子で観測された結果を掛け合わせるものであり、
   ３原色の赤色は、黄色のカラーフィルタを透過した光から観測された結果と、赤色のカラーフィルタを透過した光から観測された結果を掛け合わせるものであり、
   ３原色の緑色は、黄色のカラーフィルタを透過した光から観測された結果と、青色のカラーフィルタを透過した光から観測された結果を掛け合わせるものであり、
   且つ、３原色の青色の分光特性を求める演算は、青色のカラーフィルタを透過した光を受光素子で観測された結果と等しくするものであり、
   それぞれの受光素子上に配設されるカラーフィルタが、青色系顔料もしくは青色系顔料と紫色系顔料とを混合した顔料からなる青色カラーフィルタと、黄色系顔料からなる黄色カラーフィルタと、基礎緑成分の顔料からなる緑色カラーフィルタと、基礎赤色成分の顔料からなる赤色カラーフィルタとの４色のカラーフィルタからなることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記青色カラーフィルタが、青色系顔料からなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記４色カラーフィルタが、２×２の４マスに配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。

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