JP5564751B2 - Manufacturing method of image sensor - Google Patents

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Description

本発明はイメージセンサーの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an image sensor .

ビデオカメラやデジタルカメラは、高画素化が進んでいる。そのため、ビデオカメラやデジタルカメラに組み込まれるイメージセンサーも高画素となり、その画素サイズは、２μｍ以下から１μｍ前後まで微細化が進むものと予想されている。画素サイズの微細化が進めば、画素面積の低下に応じて画素に入射する光の量が減り、フォトダイオードの感度が低くなる。加えて、配線の線幅が小さくなり誘電層が薄くなると、画素へのノイズの影響も受けやすくなる。これらの問題を解消するために、イメージセンサーとなる半導体基板に形成されたフォトダイオードに対応して形成されたカラーフィルターの上方にマイクロレンズを配置し、入射光を集光することにより光感度を高めている。   Video cameras and digital cameras are increasing in pixel count. For this reason, an image sensor incorporated in a video camera or a digital camera also has high pixels, and the pixel size is expected to be reduced from 2 μm or less to around 1 μm. As the pixel size is further miniaturized, the amount of light incident on the pixel is reduced as the pixel area is reduced, and the sensitivity of the photodiode is lowered. In addition, when the line width of the wiring is reduced and the dielectric layer is thinned, the pixel is easily affected by noise. In order to solve these problems, a microlens is placed above the color filter formed corresponding to the photodiode formed on the semiconductor substrate that serves as the image sensor, and the light sensitivity is increased by collecting the incident light. It is increasing.

しかし、マイクロレンズを配置したとしても、マイクロレンズと受光素子としてのＣＭＯＳやＣＣＤからなるフォトダイオードとの距離が大きいと、入射光を効率よく集光できない。例えば、画素サイズが１．５μｍ、マイクロレンズからフォトダイオードまでの距離が５μｍであれば、カメラレンズから入射する光が２０°の角度を持っていたとしても、マイクロレンズからフォトダイオードには１０°程度の角度の範囲の光しか取り込むことができず、集光効率が悪くなってイメージセンサーの感度の低下につながる。   However, even if a microlens is disposed, incident light cannot be efficiently collected if the distance between the microlens and a photodiode made of CMOS or CCD as a light receiving element is large. For example, if the pixel size is 1.5 μm and the distance from the microlens to the photodiode is 5 μm, even if the light incident from the camera lens has an angle of 20 °, the angle from the microlens to the photodiode is 10 °. Only light within a certain angle range can be taken in, resulting in poor light collection efficiency and reduced sensitivity of the image sensor.

図１にオンチップカラーフィルター（フォトダイオードが形成された半導体基板に形成し、対応するフォトダイオードに所定の波長の光を入射させるためのカラーフィルター）を有する従来のイメージセンサーの断面図を示す。半導体基板１１に複数のフォトダイオード１２が形成され、半導体基板１１の表面にはシリコン酸化膜またはシリコン窒素酸化膜（図示せず）が形成されている。半導体基板１１上には透明樹脂からなる平坦化層（ＰＬ）１３が形成されている。平坦化層（ＰＬ）１３上には、顔料や染料などの色素を分散させた透明樹脂からなる、赤色カラーフィルター１４、緑色カラーフィルター１５、および青色カラーフィルター１６がフォトダイオードに対応して形成されている。これらのカラーフィルター上に透明樹脂からなる平滑化層（ＦＬ）１７が形成され、その上にフォトダイオードに対応して複数のマイクロレンズ１８が形成されている。   FIG. 1 shows a cross-sectional view of a conventional image sensor having an on-chip color filter (a color filter formed on a semiconductor substrate on which a photodiode is formed and for allowing light of a predetermined wavelength to enter the corresponding photodiode). A plurality of photodiodes 12 are formed on the semiconductor substrate 11, and a silicon oxide film or a silicon nitrogen oxide film (not shown) is formed on the surface of the semiconductor substrate 11. A planarizing layer (PL) 13 made of a transparent resin is formed on the semiconductor substrate 11. On the planarizing layer (PL) 13, a red color filter 14, a green color filter 15, and a blue color filter 16 made of a transparent resin in which pigments such as pigments and dyes are dispersed are formed corresponding to the photodiodes. ing. A smoothing layer (FL) 17 made of a transparent resin is formed on these color filters, and a plurality of microlenses 18 are formed thereon corresponding to the photodiodes.

平坦化層（ＰＬ）１３は、半導体基板表面の凹凸を平坦化するとともに、カラーフィルターと半導体基板との接着層としての機能を有する。平滑化層（ＦＬ）１７は、３色のカラーフィルターの画素間段差を解消し、マイクロレンズ１８を形状良く形成しやすくする。マイクロレンズ１８は、集光性を高めるため、個々のレンズ間のギャップをできるだけ狭くし、かつレンズ形状を理想曲線に近づけることが好ましい。画素間の段差が大きく、平滑化層（ＦＬ）１７の平坦性が悪いと、レンズ形状が所望する形状とならず、画素間でレンズ特性にばらつきが生じるおそれがある。   The planarization layer (PL) 13 functions as an adhesive layer between the color filter and the semiconductor substrate while planarizing unevenness on the surface of the semiconductor substrate. The smoothing layer (FL) 17 eliminates the steps between the pixels of the three color filters and makes it easier to form the microlens 18 with a good shape. In order to improve the light condensing property, the microlens 18 preferably has a gap between individual lenses as narrow as possible and a lens shape close to an ideal curve. If the level difference between the pixels is large and the flatness of the smoothing layer (FL) 17 is poor, the lens shape may not be a desired shape, and the lens characteristics may vary among the pixels.

カラーフィルターは、例えば以下のようにして形成される。すなわち、まず、感光性樹脂、顔料や染料などの色素、溶剤および添加剤を含むカラーレジストを、スピンナーなどの塗布装置で平坦化層（ＰＬ）１３上に形成する。次いで、ステッパーなどの露光装置を用い、パターン露光用フォトマスクを介して所定の領域のカラーレジストを選択的に露光（パターン露光）する。次いで、有機アルカリ水溶液などを用いて現像することにより所定の部位にカラーレジストのパターンを残し、純水等を用いて水洗リンスした後、２００℃以上の温度でレジストパターンを硬化させる。このような工程を赤色レジスト、緑色レジスト、青色レジストで３回繰り返すことにより、緑色カラーフィルター、赤色カラーフィルターおよび青色カラーフィルターを得る。   The color filter is formed as follows, for example. That is, first, a color resist including a photosensitive resin, a pigment such as a pigment or a dye, a solvent, and an additive is formed on the planarizing layer (PL) 13 by a coating apparatus such as a spinner. Next, a color resist in a predetermined region is selectively exposed (pattern exposure) through a photomask for pattern exposure using an exposure apparatus such as a stepper. Subsequently, the resist pattern is cured at a temperature of 200 ° C. or more after leaving a color resist pattern at a predetermined portion by developing with an organic alkaline aqueous solution and rinsing with pure water or the like. By repeating such a process three times with a red resist, a green resist, and a blue resist, a green color filter, a red color filter, and a blue color filter are obtained.

図２（ａ）〜（ｃ）を参照してカラーフィルターの配置および形成順序を説明する。このカラーフィルターは、いわゆるＢａｙｅｒ配列をとっている。まず、図２（ａ）に示すように、平坦化層１３上に緑色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って緑色領域に緑色カラーフィルター１５を市松模様のパターンに配置する。次に、図２（ｂ）に示すように、全面に青色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って青色領域に青色カラーフィルター１６を縦横に配置する。さらに、図２（ｃ）に示すように、全面に赤色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色領域に赤色カラーフィルター１４を縦横に配置する。   The arrangement and formation order of the color filters will be described with reference to FIGS. This color filter has a so-called Bayer array. First, as shown in FIG. 2A, a green color resist is applied on the planarizing layer 13, and pattern exposure, development, and heat curing are performed to arrange the green color filter 15 in a checkered pattern in the green region. . Next, as shown in FIG. 2B, a blue color resist is applied to the entire surface, pattern exposure, development, and heat curing are performed, and blue color filters 16 are arranged vertically and horizontally in the blue region. Further, as shown in FIG. 2C, a red color resist is applied to the entire surface, and pattern exposure, development, and heat curing are performed, and red color filters 14 are arranged vertically and horizontally in the red region.

なお、緑色、赤色および青色の色分離を良好にするために、緑色の領域を黄色カラーフィルターと緑色カラーフィルターの二層構成とし、赤色の領域を黄色カラーフィルターと赤色カラーフィルターの二層構成とすることが提案されている（特許文献１参照）。この場合にも、カラーフィルターは平坦化層の上に形成されている。また、特許文献１では、黄色カラーフィルター、緑色および赤色のカラーフィルターの一方および他方、青色カラーフィルターの順にカラーフィルターを形成している。   In order to improve the color separation of green, red, and blue, the green region has a two-layer configuration of a yellow color filter and a green color filter, and the red region has a two-layer configuration of a yellow color filter and a red color filter. It has been proposed (see Patent Document 1). Also in this case, the color filter is formed on the planarizing layer. In Patent Document 1, color filters are formed in the order of one of the yellow color filter, the green and red color filters, and the blue color filter.

しかし、画素サイズが微細になると、露光時にカラーレジストにフォトマスク上のパターンの形状が正確に転写されなくなる。この結果、現像後に、図３（ａ）に示すように、緑色カラーフィルター１５のコーナー部が欠け、ギャップ１５ａが生じることがある。このギャップ１５ａを通して光が漏れるため、得られた画像にノイズが入る原因となる。   However, when the pixel size is reduced, the shape of the pattern on the photomask is not accurately transferred to the color resist during exposure. As a result, after development, as shown in FIG. 3A, the corner portion of the green color filter 15 may be chipped, resulting in a gap 15a. Since light leaks through the gap 15a, noise is caused in the obtained image.

マイクロレンズを形状良く形成するため、マイクロレンズの下地となる面の平坦性を確保するためには、平坦化層（ＰＬ）１３および平滑化層（ＦＬ）１７を厚くする必要がある。しかし、この場合には上述したようにマイクロレンズからフォトダイオードまでの距離が大きくなるため感度が低下する。   In order to form the microlens with a good shape, it is necessary to increase the thickness of the planarization layer (PL) 13 and the smoothing layer (FL) 17 in order to ensure the flatness of the surface serving as the base of the microlens. However, in this case, as described above, the distance from the microlens to the photodiode is increased, so the sensitivity is lowered.

図３（ａ）に示したギャップ１５ａの発生を防止するために、図３（ｂ）のように緑色カラーフィルター１５のコーナー部にブリッジ１５ｂを追加形成することも考えられる。しかし、ブリッジ１５ｂを形成すると、青色および赤色の領域が小さくなり、青色領域及び赤色領域への集光性が低下し、画像の色バランスが悪くなる。また、緑色カラーフィルター１５を形成後に緑色レジストの不要な残渣が生じやすくなり、また、パターンの開口形状が丸くなりやすくなるという問題が生じる。   In order to prevent the generation of the gap 15a shown in FIG. 3A, it is conceivable to additionally form a bridge 15b at the corner of the green color filter 15 as shown in FIG. 3B. However, when the bridge 15b is formed, the blue and red regions are reduced, the light condensing property to the blue and red regions is lowered, and the color balance of the image is deteriorated. Further, there arises a problem that an unnecessary residue of the green resist is easily generated after the green color filter 15 is formed, and the opening shape of the pattern is easily rounded.

一方、感度を重視して、マイクロレンズからフォトダイオードまでの距離を小さくするために、図４に示すように、平坦化層（ＰＬ）を省略した構造のイメージセンサーも提案されている。図４のイメージセンサーは、半導体基板１１／３色のカラーフィルター１４、１５、１６／平滑化層１７／マイクロレンズ１８という積層構造を有する。   On the other hand, in order to reduce the distance from the microlens to the photodiode with an emphasis on sensitivity, an image sensor having a structure in which the planarization layer (PL) is omitted as shown in FIG. 4 has been proposed. The image sensor of FIG. 4 has a laminated structure of semiconductor substrate 11/3 color filters 14, 15, 16 / smoothing layer 17 / microlens 18.

しかし、図４のイメージセンサーでは、レジストへのパターン露光の際に膜厚の厚いカラーレジストの底部にまで十分な露光光が達しにくくなる結果、カラーフィルターの密着性が悪くなるという問題が生じる。特に画素サイズが小さくなると基板とカラーフィルターとの接触面積が減るため、カラーフィルターの密着性の悪化によるパターン剥れの問題が著しくなる。なお、レジストへの露光光の波長はｉ線（３６５ｎｍ）の光を使うのが主流となっている。青色のレジストはｉ線の透過率が低いので特に青色レジストの下地への密着力が小さくなり、青色レジストの剥れ問題は大きかった。カラーフィルターの密着性を確保するためには、カラーレジストへの露光量を増やすことが考えられる。しかし、その場合、パターン露光用マスクに形成する露光用パターンの補正を大きくする必要があり、カラーフィルターの形状を悪化させるか、または解像度を低下させることになる。また、色素として顔料を含むカラーフィルターでは、必要な分光特性を持たせるために、顔料濃度が限界に近くなっているため、必要な分光特性を持たせるとともに密着性を向上させることは困難である。   However, the image sensor shown in FIG. 4 has a problem in that the color filter has poor adhesion as a result of the difficulty in reaching sufficient exposure light to the bottom of the thick color resist during pattern exposure of the resist. In particular, when the pixel size is reduced, the contact area between the substrate and the color filter is reduced, so that the problem of pattern peeling due to deterioration of the adhesion of the color filter becomes significant. Note that i-line (365 nm) light is mainly used as the wavelength of exposure light to the resist. Since the blue resist has a low i-line transmittance, the adhesion of the blue resist to the base is particularly small, and the blue resist peeling problem is large. In order to ensure the adhesion of the color filter, it is conceivable to increase the exposure amount to the color resist. However, in that case, it is necessary to increase the correction of the exposure pattern formed on the pattern exposure mask, which deteriorates the shape of the color filter or lowers the resolution. In addition, in a color filter including a pigment as a pigment, the pigment concentration is close to the limit in order to provide the necessary spectral characteristics, so it is difficult to provide the necessary spectral characteristics and improve adhesion. .

また、図１および図４のいずれの構造のイメージセンサーでも、膜厚の厚い緑色カラーフィルター１５を形成した後に、青色カラーフィルター１６を形成しようとすると、緑色カラーフィルター１５と青色カラーフィルター１６との境界の青色カラーフィルター１６のエッジ部にツノ段差が生じやすい。青色カラーフィルター１６にツノ段差（突起）が生じた場合には、画素間段差の影響を少なくするために平滑化層（ＦＬ）１７を厚くする必要がある。しかし、この場合、マイクロレンズからフォトダイオードまでの距離が大きくなるため感度が低下する。
特開２００６−７８７６６号公報 1 and FIG. 4, when the blue color filter 16 is formed after the thick green color filter 15 is formed, the green color filter 15 and the blue color filter 16 A horn step is likely to occur at the edge of the blue color filter 16 at the boundary. When a horn step (protrusion) occurs in the blue color filter 16, it is necessary to thicken the smoothing layer (FL) 17 in order to reduce the influence of the step between pixels. However, in this case, since the distance from the microlens to the photodiode is increased, the sensitivity is lowered.
JP 2006-78766 A

本発明の目的は、微細な画素サイズであっても、基板への密着性が高く、形状に優れたカラーフィルターを有し、かつマイクロレンズからフォトダイオードまでの距離が短く、感度の高いイメージセンサーを提供することにある。   The object of the present invention is to provide a highly sensitive image sensor having a color filter having high adhesion to a substrate, excellent shape, and a short distance from a microlens to a photodiode even with a fine pixel size. Is to provide.

請求項１に係る発明は、複数のフォトダイオードが形成された半導体基板と、それぞれのフォトダイオードに対応して形成された緑色、赤色および青色のカラーフィルターとを
有するイメージセンサーにおいて、前記半導体基板はその上に平坦化層を有さず、緑色の領域の前記半導体基板上に直接形成された黄色カラーフィルターとその上に積層された緑色カラーフィルターとを有し、赤色の領域の前記半導体基板上に直接形成された黄色カラーフィルターとその上に積層された赤色カラーフィルターとを有し、前記黄色カラーフィルターの厚さが０．０５〜０．５μｍであり、前記青色カラーフィルター、緑色カラーフィルターおよび赤色カラーフィルターの上に、さらに平滑化層およびマイクロレンズを有することを特徴とするイメージセンサーを製造するにあたり、前記半導体基板上に直接に黄色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色および緑色の領域に黄色カラーフィルターのパターンを形成する工程と、全面に青色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って青色の領域に青色カラーフィルターのパターンを形成する工程と、全面に赤色カラーレジストおよび緑色カラーレジストのうち一方を塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色および緑色のうち一方の領域に黄色カラーフィルター上に積層された赤色カラーフィルターおよび緑色カラーフィルターのうち一方を形成する工程と、全面に赤色カラーレジストおよび緑色カラーレジストのうち他方を塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色および緑色のうち他方の領域に黄色カラーフィルター上に積層された赤色カラーフィルターおよび緑色カラーフィルターのうち他方を形成する工程とを、この順序で有することを特徴とするイメージセンサーの製造方法である。 The invention according to claim 1 is an image sensor comprising a semiconductor substrate on which a plurality of photodiodes are formed, and green, red and blue color filters formed corresponding to the respective photodiodes, wherein the semiconductor substrate is On the semiconductor substrate in the red region, there is a yellow color filter directly formed on the semiconductor substrate in the green region and a green color filter laminated thereon without having a planarizing layer thereon A yellow color filter directly formed on the red color filter and a red color filter laminated thereon, wherein the yellow color filter has a thickness of 0.05 to 0.5 μm, and the blue color filter, the green color filter, and An image characterized by further comprising a smoothing layer and a microlens on the red color filter. In manufacturing a sensor, a yellow color resist is applied directly on the semiconductor substrate, pattern exposure, development and heat curing are performed to form a yellow color filter pattern in red and green regions, and a blue color is formed on the entire surface. Applying a color resist, performing pattern exposure, development and thermosetting to form a blue color filter pattern in the blue region, applying one of a red color resist and a green color resist to the entire surface, pattern exposure, Developing and heat-curing to form one of red and green color filters laminated on the yellow color filter in one of the red and green regions, and the red and green color resists on the entire surface. Apply the other, pattern exposure, development and thermal curing And forming the other of the red color filter and the green color filter laminated on the yellow color filter in the other region of red and green in this order. It is.

本発明によれば、１μｍ前後の画素サイズであっても、基板への密着性が高く、形状に優れたカラーフィルターを有し、かつマイクロレンズからフォトダイオードまでの距離が短く、感度の高いイメージセンサーを提供することができる。   According to the present invention, even when the pixel size is around 1 μm, the image has a high sensitivity to the substrate, has a color filter excellent in shape, and has a short distance from the microlens to the photodiode, and has a high sensitivity. A sensor can be provided.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図５に本発明の一実施形態に係るイメージセンサーの断面図を示す。半導体基板１１には受光素子としてＣＭＯＳやＣＣＤからなる複数のフォトダイオード１２が形成され、半導体基板１１の表面にはシリコン酸化膜またはシリコン窒素酸化膜（図示せず）が形成されている。赤色および緑色の領域には、半導体基板１１上に直接、黄色カラーフィルター２１が形成されている。黄色カラーフィルター２１は、従来の赤色カラーフィルターと緑色カラーフィルターに共通に含まれていた黄色顔料を含んでいる。赤色の領域には黄色カラーフィルター２１上に赤色カラーフィルター１４が積層されている。本発明に用いる赤色カラーフィルター１４は、従来の赤色カラーフィルターに含まれていた黄色顔料のうち、黄色カラーフィルター２１に含まれる黄色顔料を有さない。すなわち、本発明では、黄色カラーフィルター２１と赤色カラーフィルター１４の二層で従来の赤色カラーフィルターと同様の所定の分光特性を示す。緑色の領域には黄色カラーフィルター２１上に緑色カラーフィルター１５が積層されている。本発明に用いる緑色カラーフィルター１５は、従来の緑色カラーフィルターに含まれていた黄色顔料のうち、黄色カラーフィルター２１に含まれる黄色顔料を有さない。すなわち、本発明では、黄色カラーフィルター２１と緑色カラーフィルター１５の二層で従来の緑色カラーフィルターと同様の所定の分光特性を示す。青色の領域には半導体基板１１上に直接、青色カラーフィルター１６が形成されている。これらのカラーフィルター上に透明樹脂からなる平滑化層（ＦＬ）１７が形成され、その上にマイクロレンズ１８が形成されている。   FIG. 5 shows a cross-sectional view of an image sensor according to an embodiment of the present invention. A plurality of photodiodes 12 made of CMOS or CCD are formed as light receiving elements on the semiconductor substrate 11, and a silicon oxide film or a silicon nitrogen oxide film (not shown) is formed on the surface of the semiconductor substrate 11. A yellow color filter 21 is formed directly on the semiconductor substrate 11 in the red and green regions. The yellow color filter 21 includes a yellow pigment that is commonly included in the conventional red color filter and green color filter. The red color filter 14 is laminated on the yellow color filter 21 in the red region. The red color filter 14 used in the present invention does not have the yellow pigment contained in the yellow color filter 21 among the yellow pigments contained in the conventional red color filter. That is, in the present invention, the two layers of the yellow color filter 21 and the red color filter 14 exhibit predetermined spectral characteristics similar to those of the conventional red color filter. The green color filter 15 is laminated on the yellow color filter 21 in the green region. The green color filter 15 used in the present invention does not have the yellow pigment contained in the yellow color filter 21 among the yellow pigments contained in the conventional green color filter. That is, in the present invention, the two layers of the yellow color filter 21 and the green color filter 15 exhibit predetermined spectral characteristics similar to those of the conventional green color filter. A blue color filter 16 is formed directly on the semiconductor substrate 11 in the blue region. A smoothing layer (FL) 17 made of a transparent resin is formed on these color filters, and a microlens 18 is formed thereon.

図６（ａ）〜（ｄ）を参照してカラーフィルターの配置および形成順序を説明する。このカラーフィルターは、いわゆるＢａｙｅｒ配列をとっている。まず、図６（ａ）に示すように、半導体基板１１上に直接に黄色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色および緑色の領域に黄色カラーフィルター２１のパターンを配置する。次いで、図６（ｂ）に示すように、全面に青色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って青色領域に青色カラーフィルター１６を縦横に配置する。次いで、図６（ｃ）に示すように、全面に赤色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色領域に赤色カラーフィルター１４を縦横に配置する。次いで、図６（ｄ）に示すように、全面に緑色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って緑色領域に緑色カラーフィルター１５を縦横に配置する。なお、青色カラーフィルター１６を形成した後は、赤色カラーフィルター１４と緑色カラーフィルター１５の形成順序はどちらが先でもよい。   The arrangement and formation order of the color filters will be described with reference to FIGS. This color filter has a so-called Bayer array. First, as shown in FIG. 6A, a yellow color resist is applied directly on the semiconductor substrate 11, and pattern exposure, development, and heat curing are performed, and the pattern of the yellow color filter 21 is disposed in the red and green regions. To do. Next, as shown in FIG. 6B, a blue color resist is applied to the entire surface, and pattern exposure, development, and heat curing are performed to arrange the blue color filters 16 vertically and horizontally in the blue region. Next, as shown in FIG. 6C, a red color resist is applied to the entire surface, and pattern exposure, development, and heat curing are performed to arrange red color filters 14 vertically and horizontally in the red region. Next, as shown in FIG. 6D, a green color resist is applied to the entire surface, pattern exposure, development, and heat curing are performed, and green color filters 15 are arranged vertically and horizontally in the green region. Note that after the blue color filter 16 is formed, the red color filter 14 and the green color filter 15 may be formed in either order.

本発明によれば、平坦化層を省略しているので、マイクロレンズ１８からフォトダイオード１２までの距離を小さくでき、高感度を維持できる。また、半導体基板１１上に直接形成される黄色カラーフィルター２１の膜厚が薄く、露光時に底部まで露光光が十分に達するので、黄色カラーフィルター２１を半導体基板１１に強固に接着させることができる。また、薄い黄色カラーフィルター２１と接して、黄色カラーフィルター２１より厚い膜厚で形成される青色カラーフィルター１６では、黄色フィルター２１と青色フィルター１６との境界部のエッジにツノ段差（突起）が生じにくく、平滑化層１７を厚くする必要がないので、感度の低下を招くことがない。なお、黄色カラーフィルター２１の厚さが０．０５〜０．５μｍであれば、これらの効果を得るのに有効である。また、黄色カラーフィルター２１によって緑色カラーフィルター１５および赤色カラーフィルター１４を保持することができ、これらのカラーフィルターの剥がれを防止できる。また、黄色カラーフィルター２１、緑色カラーフィルター１５および赤色カラーフィルター１４によって、隣接する青色カラーフィルター１６は保持されるので、青色カラーフィルター１６の剥れも防止できる。したがって、１μｍ前後の微細な画素サイズであっても密着性、解像性に優れたカラーフィルターを有し、かつ感度の高いイメージセンサーを提供することができる。   According to the present invention, since the planarization layer is omitted, the distance from the microlens 18 to the photodiode 12 can be reduced, and high sensitivity can be maintained. In addition, since the yellow color filter 21 formed directly on the semiconductor substrate 11 is thin and the exposure light sufficiently reaches the bottom during exposure, the yellow color filter 21 can be firmly bonded to the semiconductor substrate 11. Further, in the blue color filter 16 formed in contact with the thin yellow color filter 21 and having a film thickness thicker than that of the yellow color filter 21, a horn step (protrusion) is generated at the edge of the boundary between the yellow filter 21 and the blue filter 16. It is difficult and it is not necessary to increase the thickness of the smoothing layer 17, so that the sensitivity is not lowered. If the thickness of the yellow color filter 21 is 0.05 to 0.5 μm, it is effective to obtain these effects. Further, the green color filter 15 and the red color filter 14 can be held by the yellow color filter 21, and peeling of these color filters can be prevented. Further, since the adjacent blue color filter 16 is held by the yellow color filter 21, the green color filter 15, and the red color filter 14, the blue color filter 16 can be prevented from peeling off. Therefore, it is possible to provide a highly sensitive image sensor having a color filter with excellent adhesion and resolution even with a fine pixel size of about 1 μm.

以下、本発明において用いられる材料について説明する。   Hereinafter, the material used in the present invention will be described.

３原色のカラーフィルターを有するイメージセンサーにおける各カラーフィルターの主感度は、青色が４５０ｎｍ、緑色が５３０ｎｍ、赤色が６２０ｎｍ付近にある。   The main sensitivities of the color filters in the image sensor having the three primary color color filters are around 450 nm for blue, 530 nm for green, and 620 nm for red.

従来の緑色カラーフィルターは数種の緑色の色素と黄色の色素を含み、特に４００〜４８０ｎｍの透過率を黄色の色素で調整している。また、赤色カラーフィルターは数種の赤色の色素と黄色の色素を含み、特に４００〜４５０ｎｍの透過率を黄色の色素で調整している。このため、本発明のように緑色領域を黄色の色素を含む黄色カラーフィルターと緑色の色素を含む緑色カラーフィルターとの二層構成とし、赤色領域では前記緑色領域で形成したのと同一の黄色カラーフィルターと赤色の色素を含む赤色カラーフィルターとの二層構成とした場合にも各々の領域で所望の透過率を得ることができる。   A conventional green color filter contains several kinds of green pigments and yellow pigments, and in particular, the transmittance of 400 to 480 nm is adjusted with yellow pigments. The red color filter includes several red pigments and a yellow pigment, and the transmittance of 400 to 450 nm is particularly adjusted with the yellow pigment. Therefore, as in the present invention, the green region has a two-layer structure of a yellow color filter containing a yellow pigment and a green color filter containing a green pigment, and in the red region, the same yellow color as that formed in the green region Even in the case of a two-layer configuration of a filter and a red color filter containing a red pigment, a desired transmittance can be obtained in each region.

本発明の黄色カラーフィルター２１に用いられる黄色の顔料または染料としては以下のようなものが挙げられる。黄色顔料としては、例えばＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１５０、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１８５などを単独でまたは混合して使用することができる。黄色染料としては、例えばＣ．Ｉ．Ａｃｉｄイエロー１７、４９、６７、７２、１２７、１１０などを使用することができる。   Examples of the yellow pigment or dye used in the yellow color filter 21 of the present invention include the following. Examples of yellow pigments include C.I. I. Pigment yellow 139, C.I. I. Pigment yellow 150, C.I. I. Pigment Yellow 185 or the like can be used alone or in combination. Examples of yellow dyes include C.I. I. Acid yellow 17, 49, 67, 72, 127, 110, etc. can be used.

本発明の緑色カラーフィルター１５に用いられる緑色の顔料または染料としては以下のようなものが挙げられる。緑色顔料としては、例えばＣ．Ｉ．ピグメントグリーン７、３６、３７を使用することができる。緑色染料としては、例えばＣ．Ｉ．Ａｃｉｄグリーン２５、４１を使用することができる。   Examples of the green pigment or dye used in the green color filter 15 of the present invention include the following. Examples of the green pigment include C.I. I. Pigment Green 7, 36, and 37 can be used. Examples of the green dye include C.I. I. Acid green 25, 41 can be used.

本発明の赤色カラーフィルター１４に用いられる赤色の顔料または染料としては以下のようなものが挙げられる。赤色顔料としては、例えばＣ．Ｉ．ピグメントレッド１２３、１５５、１６８、１７７、１８０、２１７、２２０のいずれかを使用することができる。赤色染料としては、例えばＣ．Ｉ．Ａｃｉｄレッド３７、５０、１１１、１１４、２５７、２６６のいずれかを使用することができる。   Examples of the red pigment or dye used in the red color filter 14 of the present invention include the following. Examples of red pigments include C.I. I. Any of CI Pigment Red 123, 155, 168, 177, 180, 217, 220 can be used. Examples of the red dye include C.I. I. Any of Acid Red 37, 50, 111, 114, 257, and 266 can be used.

すなわち、例えば、従来の緑色フィルターは、黄色顔料としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９と、緑色顔料としてＣ．Ｉ．ピグメントグリーン７、３６、３７を含むものとする。また、従来の赤色フィルターは、黄色顔料としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９と、赤色顔料としてＣ．Ｉ．ピグメントレッド１２３を含むものとする。その場合、本発明では、黄色フィルター２１にＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９を含め、赤色フィルター１４にはＣ．Ｉ．ピグメントレッド１２３を、また、緑色フィルター１５にはＣ．Ｉ．ピグメントグリーン７、３６、３７を含ませる。   That is, for example, a conventional green filter has C.I. I. Pigment Yellow 139 and C.I. I. Pigment Green 7, 36, and 37 are included. Further, the conventional red filter has C.I. I. Pigment Yellow 139 and C.I. I. Pigment Red 123 is included. In that case, in the present invention, the yellow filter 21 has C.I. I. Pigment Yellow 139 and red filter 14 include C.I. I. Pigment Red 123 and Green Filter 15 have C.I. I. Pigment Green 7, 36, and 37 are included.

青色カラーフィルターに用いられる青色の顔料または染料としては以下のようなものが挙げられる。青色顔料としては、例えばＣ．Ｉ．ピグメントブルー１５、１５：３、１５：４、１５：６、６、２２、６０のいずれかを使用することができる。青色染料としては、例えばＣ．Ｉ．Ａｃｉｄブルー４１、８３、９０、１１３、１２９のいずれかを使用することができる。   Examples of the blue pigment or dye used in the blue color filter include the following. Examples of blue pigments include C.I. I. Any of CI Pigment Blue 15, 15: 3, 15: 4, 15: 6, 6, 22, and 60 can be used. Examples of blue dyes include C.I. I. Any of Acid Blue 41, 83, 90, 113, and 129 can be used.

平滑化層１７の材料としては、例えば熱硬化性のアクリル樹脂を用いることができる。   As a material of the smoothing layer 17, for example, a thermosetting acrylic resin can be used.

マイクロレンズに用いられる材料およびその製造方法を説明する。まず、平滑化層１７の上に例えばアクリル樹脂の塗布液を用いて透明樹脂層を形成する。次に、透明樹脂層の上に例えばアルカリ可溶性・感光性・熱フロー性をもつ例えばフェノール樹脂からなるレンズ母型材料を塗布する。次に、公知のフォトリソグラフィーブロセスを使用して、レンズ母型となる領域を残すようにレンズ母型材料をパターニングする。残されたレンズ母型材料を熱処理して熱リフローさせ、半球状に変形させてレンズ母型を形成する。リフロー量を片側０．１μｍ程度の適正量にすることにより、単位レンズ母型間のギャップが例えば０．２４μｍ程度のスムースな半球状にすることができる。次に、ドライエッチング装置により、ＣＦ4、Ｃ4Ｆ8の混合ガスを用い、レンズ母型をマスクとして透明樹脂層に対してレンズ母型の形状の転写処理を行い、マイクロレンズを形成する。レンズ母型および透明樹脂層を上方から均一にエッチングすると、レンズ母型の形状を保ったまま下方にエッチングが進むため、透明樹脂層の形状をレンズ母型の形状と同じ形状にエッチングすることができる。マイクロレンズは高さが例えば１μｍ、単位レンズ間のギャッブが例えば０．０４μｍとなる。 A material used for the microlens and a manufacturing method thereof will be described. First, a transparent resin layer is formed on the smoothing layer 17 using, for example, an acrylic resin coating solution. Next, a lens matrix material made of, for example, phenol resin having alkali solubility, photosensitivity, and heat flow is applied on the transparent resin layer. Next, using a known photolithography process, the lens matrix material is patterned so as to leave a region that becomes the lens matrix. The remaining lens matrix material is heat-treated and thermally reflowed, and deformed into a hemisphere to form a lens matrix. By setting the reflow amount to an appropriate amount of about 0.1 μm on one side, a smooth hemispherical shape with a gap between the unit lens molds of, for example, about 0.24 μm can be obtained. Next, using a dry etching apparatus, a mixed gas of CF 4 and C 4 F 8 is used to transfer the shape of the lens matrix to the transparent resin layer using the lens matrix as a mask to form a microlens. If the lens matrix and the transparent resin layer are uniformly etched from above, the etching proceeds downward while maintaining the shape of the lens matrix. Therefore, the shape of the transparent resin layer may be etched to the same shape as the lens matrix. it can. The micro lens has a height of, for example, 1 μm and a gap between unit lenses of, for example, 0.04 μm.

従来のイメージセンサーの断面図。Sectional drawing of the conventional image sensor. 従来のイメージセンサーのカラーフィルターの配置および形成順序を説明する平面図。The top view explaining arrangement | positioning and formation order of the color filter of the conventional image sensor. 従来のイメージセンサーの問題点を説明する平面図。The top view explaining the problem of the conventional image sensor. 従来の他のイメージセンサーの断面図。Sectional drawing of the other conventional image sensor. 本発明の実施形態に係るイメージセンサーの断面図。1 is a cross-sectional view of an image sensor according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係るイメージセンサーのカラーフィルターの配置および形成順序を説明する平面図。FIG. 3 is a plan view for explaining the arrangement and formation order of color filters of the image sensor according to the embodiment of the invention.

符号の説明Explanation of symbols

１１…半導体基板、１２…フォトダイオード、１３…平坦化層（ＰＬ）、１４…赤色カラーフィルター、１５…緑色カラーフィルター、１６…青色カラーフィルター、１７…平滑化層（ＦＬ）、１８…マイクロレンズ、２１…赤色カラーフィルター。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Semiconductor substrate, 12 ... Photodiode, 13 ... Planarization layer (PL), 14 ... Red color filter, 15 ... Green color filter, 16 ... Blue color filter, 17 ... Smoothing layer (FL), 18 ... Micro lens , 21 ... Red color filter.

Claims (1)

複数のフォトダイオードが形成された半導体基板と、それぞれのフォトダイオードに対応して形成された緑色、赤色および青色のカラーフィルターとを有するイメージセンサーにおいて、前記半導体基板はその上に平坦化層を有さず、緑色の領域の前記半導体基板上に直接形成された黄色カラーフィルターとその上に積層された緑色カラーフィルターとを有し、赤色の領域の前記半導体基板上に直接形成された黄色カラーフィルターとその上に積層された赤色カラーフィルターとを有し、前記黄色カラーフィルターの厚さが０．０５〜０．５μｍであり、前記青色カラーフィルター、緑色カラーフィルターおよび赤色カラーフィルターの上に、さらに平滑化層およびマイクロレンズを有することを特徴とするイメージセンサーを製造するにあたり、
前記半導体基板上に直接に黄色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色および緑色の領域に黄色カラーフィルターのパターンを形成する工程と、
全面に青色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って青色の領域に青色カラーフィルターのパターンを形成する工程と、
全面に赤色カラーレジストおよび緑色カラーレジストのうち一方を塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色および緑色のうち一方の領域に黄色カラーフィルター上に積層された赤色カラーフィルターおよび緑色カラーフィルターのうち一方を形成する工程と、
全面に赤色カラーレジストおよび緑色カラーレジストのうち他方を塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色および緑色のうち他方の領域に黄色カラーフィルター上に積層された赤色カラーフィルターおよび緑色カラーフィルターのうち他方を形成する工程と
を、この順序で有することを特徴とするイメージセンサーの製造方法。 In an image sensor having a semiconductor substrate on which a plurality of photodiodes are formed and green, red, and blue color filters formed corresponding to the respective photodiodes, the semiconductor substrate has a planarization layer thereon. First, a yellow color filter directly formed on the semiconductor substrate in the red region, having a yellow color filter directly formed on the semiconductor substrate in the green region and a green color filter laminated thereon And a red color filter laminated thereon, and the thickness of the yellow color filter is 0.05 to 0.5 μm, and further on the blue color filter, the green color filter and the red color filter, In manufacturing an image sensor having a smoothing layer and a microlens. Ri,
Applying a yellow color resist directly on the semiconductor substrate, performing pattern exposure, development and thermosetting to form a pattern of yellow color filters in the red and green regions; and
Applying a blue color resist on the entire surface, pattern exposure, development and thermosetting to form a blue color filter pattern in the blue region;
A red color filter and a green color filter are coated on one surface of the red and green color resists, patterned, developed, and heat-cured. A step of forming one of
Red color filter and green color filter are applied on the entire surface, the other of red color resist and green color resist is applied, pattern exposure, development and heat curing are performed, and the other region of red and green is laminated on the yellow color filter. And forming the other one of them in this order .
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