JP5966395B2 - Photomask for microlens and manufacturing method of color solid-state imaging device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、カラー固体撮像素子の品質向上を図るための、マイクロレンズの改善に関する。 The present invention relates to an improvement of a microlens for improving the quality of a color solid-state imaging device.
近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を組み込んだ撮像装置が、デジタルカメラやデジタルビデオとして普及してきている。 In recent years, imaging devices have been widely used with the expansion of the contents of image recording, communication, and broadcasting. Various types of image pickup devices have been proposed. An image pickup device incorporating a solid-state image pickup device that has been stably manufactured with a small size, light weight, and high performance can be used as a digital camera or digital video. It has become widespread.
固体撮像素子は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する。光電変換素子の種類はＣＣＤ（電荷結合素子）タイプとＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）タイプとに大別される。また、光電変換素子の配列形態から、光電変換素子を1列に配置したリニアセンサー（ラインセンサー）と、光電変換素子を縦横に２次元的に配列させたエリアセンサー（面センサー）との２種類に大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は精密になるので、近年は特に、大画素数の固体撮像素子を安価に製造する方法が検討されている。
また、光電変換素子に入射する光の経路に特定の波長の光を透過するカラーフィルタ機能を設けることで、対象物の色情報を得ることを可能とした単板式のカラーセンサーとしてのカラー固体撮像素子も普及している。カラー固体撮像素子は、１個の光電変換素子に対応して特定の着色透明画素による１画素をパターン形成して、規則的に多数配列することにより、色分解した画像情報を集めることができる。着色透明画素の色としては、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色からなる３原色系、あるいは、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー色（Ｙ）からなる補色系が一般的であり、特に３原色系が多く使われている。
The solid-state imaging device has a plurality of photoelectric conversion elements that receive an optical image from a subject and convert incident light into an electrical signal. The types of photoelectric conversion elements are roughly classified into CCD (charge coupled device) type and CMOS (complementary metal oxide semiconductor) type. In addition, there are two types of photoelectric conversion elements: linear sensors (line sensors) in which photoelectric conversion elements are arranged in a row, and area sensors (surface sensors) in which photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged vertically and horizontally. It is divided roughly into. In any of the sensors, as the number of photoelectric conversion elements (number of pixels) increases, the captured image becomes more precise. In recent years, in particular, a method for manufacturing a solid-state imaging element having a large number of pixels at low cost has been studied.
Color solid-state imaging as a single-plate color sensor that can obtain color information of an object by providing a color filter function that transmits light of a specific wavelength in the path of light incident on the photoelectric conversion element Elements are also widespread. The color solid-state imaging device can collect color-separated image information by patterning one pixel by a specific colored transparent pixel corresponding to one photoelectric conversion device and regularly arranging a plurality of pixels. As the color of the colored transparent pixel, three primary colors consisting of three colors of red (R), green (G), and blue (B), cyan (C), magenta (M), yellow (Y) Complementary color systems are generally used, and in particular, three primary color systems are often used.
固体撮像素子に要求される性能で重要な課題の一つに、入射する光への感度を向上させることが挙げられる。小型化した固体撮像素子で撮影した画像の情報量を多くするためには受光部となる光電変換素子を微細化して高集積化する必要がある。しかし、光電変換素子を高集積化した場合、各光電変換素子の面積が小さくなり、受光部として利用できる面積割合も減るので、光電変換素子の受光部に取り込める光の量が少なくなり、実効的な感度は低下する。
このような、微細化した固体撮像素子の感度の低下を防止するための手段として、光電変換素子の受光部に効率良く光を取り込むために、対象物から入射される光を１画素毎に集光して光電変換素子の受光部に導くマイクロレンズを光電変換素子上に均一な形状に形成する技術が提案されている（特許文献１参照）。マイクロレンズで光を集光して光電変換素子の受光部に導くことで、受光部の見かけ上の開口率を大きくすることが可能になり、固体撮像素子の感度の向上が可能になる。
One of the important issues in performance required for a solid-state imaging device is to improve the sensitivity to incident light. In order to increase the amount of information of an image photographed with a miniaturized solid-state imaging device, it is necessary to miniaturize and highly integrate a photoelectric conversion device serving as a light receiving unit. However, when photoelectric conversion elements are highly integrated, the area of each photoelectric conversion element is reduced, and the area ratio that can be used as a light receiving part is also reduced, so that the amount of light that can be taken into the light receiving part of the photoelectric conversion element is reduced and effective. Sensitivity is reduced.
As a means for preventing such a decrease in sensitivity of the miniaturized solid-state imaging device, light incident from the object is collected for each pixel in order to efficiently capture light into the light receiving portion of the photoelectric conversion device. There has been proposed a technique for forming a microlens with a uniform shape on a photoelectric conversion element that emits light and guides it to a light receiving portion of the photoelectric conversion element (see Patent Document 1). By condensing the light with the microlens and guiding it to the light receiving portion of the photoelectric conversion element, the apparent aperture ratio of the light receiving portion can be increased, and the sensitivity of the solid-state imaging device can be improved.
マイクロレンズの製造方法としては、マイクロレンズの素材となる透明なアクリル系感光性樹脂をフォトリソグラフィー法により選択的にパターン形成した後に、材料の熱リフロー性を利用してレンズ形状を作るフローレンズタイプや、マイクロレンズの素材となるアクリル透明樹脂の平坦層の上に、アルカリ可溶性と感光性と熱フロー性を有するレジスト材料を用いてフォトリソグラフィー法と熱リフローによりレンズ母型を形成し、ドライエッチング法によりレンズ母型の形状をアクリル透明樹脂層に転写してレンズ形状を作る
エッチング転写タイプがある。
A microlens manufacturing method is a flow lens type in which a transparent acrylic photosensitive resin, which is a microlens material, is selectively patterned by photolithography, and then the lens shape is created using the thermal reflow characteristics of the material. Also, on the flat layer of acrylic transparent resin that is the material of the microlens, a lens matrix is formed by photolithography and thermal reflow using a resist material having alkali solubility, photosensitivity, and heat flow, and dry etching. There is an etching transfer type in which a lens shape is transferred to an acrylic transparent resin layer by a method.
マイクロレンズの形成において、上記フローレンズタイプとエッチング転写タイプのいずれの製造方法で微細化された画素に対応する場合にも、マイクロレンズの光取り込み面積をできるだけ広く、すなわち、隣接するマイクロレンズとのギャップを狭くして、なおかつ、レンズ形状を良好に保つことが、固体撮像素子の実効的な感度を高く保持するための必要条件となる。しかし、比較的製造工程が短くて容易なフローレンズ方式で製造する場合に、隣接するマイクロレンズとの境界部分での豊富な量の樹脂の熱リフロー挙動を制御して、狭ギャップと良好な形状とを保持することは高い難度を有し、品質の不安定要因となる。また、着色透明画素パターンを用いてカラー画像を入力するためのカラー固体撮像素子においては、光電変換素子毎に画素対応する着色透明画素上に設けるマイクロレンズのサイズまたは隣接するマイクロレンズとのギャップやレンズ自身の形状のばらつきにより、集光性能にばらつきが生じると、色別の感度のバランスが崩れて色表現上のムラ等の不具合が明瞭に発生するので、マイクロレンズの上記性能を高める必要性がさらに大きくなる。 In the formation of the microlens, the microlens has a light capturing area as large as possible, that is, between adjacent microlenses, even in the case of dealing with pixels miniaturized by any of the manufacturing methods of the flow lens type and the etching transfer type. Narrowing the gap and maintaining a good lens shape is a necessary condition for keeping the effective sensitivity of the solid-state imaging device high. However, when manufacturing with the flow lens method, which has a relatively short manufacturing process, the thermal reflow behavior of abundant amounts of resin at the boundary between adjacent microlenses is controlled, resulting in a narrow gap and good shape. It has a high degree of difficulty, and becomes an unstable factor of quality. In a color solid-state imaging device for inputting a color image using a colored transparent pixel pattern, the size of a microlens provided on the colored transparent pixel corresponding to the pixel for each photoelectric conversion element or a gap with an adjacent microlens, If there is a variation in the light collection performance due to variations in the shape of the lens itself, the balance of sensitivity for each color will be lost and defects such as unevenness in color expression will clearly occur, so it is necessary to improve the above performance of the microlens Becomes even larger.
上述のように隣接するマイクロレンズとのギャップを狭くしてレンズ形状を良好に保つために、マイクロレンズの製造工程を実施する対象領域を画素区分により分けて、それぞれ別個にフォトリソグラフィー法を含む工程により処理する方法が提案されている（特許文献２および特許文献３を参照）。図２は、このような画素区分による領域分割により２段階でマイクロレンズを形成する方法を説明するための部分模式図である。図２（ａ）、（ｂ）は、ベイヤ（Ｂａｙｅｒ）配列と呼ばれる市松模様状の配列を着色透明画素パターンに適用した場合を例として、マイクロレンズ形成時に使用される２枚のフォトマスクの主要部のパターンをそれぞれ説明するための模式平面図であり、（ｃ）は、（ａ）、（ｂ）に示す各フォトマスクを用いて２段階のフォトリソグラフィー法によりマイクロレンズを形成した結果のカラー固体撮像素子の構造の一例を示す模式断面図である。
図２（ｃ）において、カラー固体撮像素子１は、半導体基板２上に規則的に設けた複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面４に、透明平坦化層５を介して、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターン６を複数の光電変換素子３に１対１に対応させて設け、さらに第二の透明平坦化層５１により着色透明画素パターン６を配列した平面上の平坦化を行った後に、上記のマイクロレンズ７１、７２を設けてなる。
As described above, in order to narrow the gap between adjacent microlenses and to maintain a good lens shape, the process of dividing the target area where the microlens manufacturing process is performed by pixel division and including the photolithography method separately. Has been proposed (see Patent Document 2 and Patent Document 3). FIG. 2 is a partial schematic view for explaining a method of forming a microlens in two stages by such region division by pixel division. 2 (a) and 2 (b) show an example of two photomasks used at the time of microlens formation, taking as an example the case where a checkered arrangement called a Bayer arrangement is applied to a colored transparent pixel pattern. FIG. 6C is a schematic plan view for explaining the pattern of each part, and FIG. 5C is a color resulting from forming a microlens by a two-step photolithography method using each photomask shown in FIGS. It is a schematic cross section which shows an example of the structure of a solid-state image sensor.
In FIG. 2C, the color solid-state imaging device 1 is transparently flattened on the light-receiving surface side surface 4 of the solid-state imaging device pixel portion in which a plurality of photoelectric conversion elements 3 regularly provided on the semiconductor substrate 2 are arranged in a plane. A colored transparent pixel pattern 6 that repeatedly arranges a plurality of colors is provided in a one-to-one correspondence with the plurality of photoelectric conversion elements 3 via the layer 5, and the colored transparent pixel pattern 6 is further formed by the second transparent planarization layer 51. After performing planarization on the arranged planes, the microlenses 71 and 72 are provided.
なお、ベイヤ配列と呼ばれる市松模様状の配列を着色透明画素パターンに適用する例は、カラーエリアセンサーとして使用されるカラー固体撮像素子に多く用いられる。前記マイクロレンズを用いた集光を考慮すると、素子の画素形状を細長くすることは困難であり、また、微細化した各画素３色に対応させて光電変換素子の数を増やすことも製造上の制約を大きくするので、見かけ上の解像度を低下させずに総画素数の低減を図ることが、ベイヤ配列を用いる理由である。
ベイヤ配列では、１画素が１色の着色透明画素パターンに対応しており、Ｇ（緑色）２画素を対角に配置した４画素で１組の配列が繰り返し配置される。この配列の場合、光電変換素子の総画素数Ｎに対して、Ｇ（緑色）の画素数はＮ／２、Ｒ（赤色）及びＢ（青色）の画素数はＮ／４となるが、各画素ごとに周辺の画素の出力を用いて補間演算を行うことにより、Ｎ個のＲＧＢ別の撮像光レベルの組を作り出す。ここで、Ｇ（緑色）の画素を他の色に比べて２倍に多くしているのは、人の目の視感度の高いＧに対する解像度が見かけ上の解像度を高める効果が大きいからである。
An example in which a checkered pattern called a Bayer pattern is applied to a colored transparent pixel pattern is often used for a color solid-state imaging device used as a color area sensor. In consideration of the light condensing using the microlens, it is difficult to make the pixel shape of the element elongated, and it is also possible to increase the number of photoelectric conversion elements corresponding to the three colors of the miniaturized pixels. The reason for using the Bayer array is to reduce the total number of pixels without reducing the apparent resolution because the constraints are increased.
In the Bayer array, one pixel corresponds to a colored transparent pixel pattern of one color, and a set of arrays is repeatedly arranged with four pixels in which two G (green) pixels are arranged diagonally. In this arrangement, the total number of pixels N of the photoelectric conversion elements is N / 2 for G (green) and N / 4 for R (red) and B (blue). For each pixel, an interpolation calculation is performed using the output of the surrounding pixels to create a set of N imaging light levels for each RGB. Here, the reason why the number of G (green) pixels is twice as large as that of other colors is that the resolution for G, which is highly visible to human eyes, has a large effect of increasing the apparent resolution. .
図２（ａ）において、ベイヤ配列された着色透明画素パターン６に対応する２行×２列の４画素からなる１組を拡大表示して、対角配置されＲおよびＢ表示の無いＧ（緑色）の画素に対応させたマイクロレンズ用の第一のフォトマスクのパターン７３を示す。このパ
ターン７３をカラー固体撮像素子１を製造する対象基板に位置合わせして、フォトリソグラフィー法の露光工程に使用し、図２（ｃ）に示すＧ（緑色）の画素に対応するマイクロレンズ７１を形成する。すなわち、前述のフローレンズタイプで形成する例では、例えばポジ型感光性レンズ材料を用いる場合には、パターン７３を遮光領域とし、非パターン部を透明領域とすることにより、パターン７３のレンズ材料を選択的に残し、材料の熱リフロー性を利用してマイクロレンズ７１を作る。Ｇ（緑色）の画素に対応するマイクロレンズ７１を形成した後に、図２（ｂ）に示す第二のフォトマスクを用いて同様の方法を繰り返すことにより、Ｇ表示の無いＲ（赤色）及びＢ（青色）の画素に対応させたマイクロレンズ用のフォトマスクのパターン７４を用いて、マイクロレンズ７２を形成することができる。
In FIG. 2A, a set of 4 pixels of 2 rows × 2 columns corresponding to the colored transparent pixel pattern 6 arranged in a Bayer array is enlarged and displayed in a diagonally arranged G (green) with no R and B display. The pattern 73 of the 1st photomask for microlenses corresponding to the pixel of) is shown. The pattern 73 is aligned with the target substrate on which the color solid-state imaging device 1 is manufactured and used in the exposure process of the photolithography method, and the microlens 71 corresponding to the G (green) pixel shown in FIG. Form. That is, in the example formed by the flow lens type described above, for example, when a positive photosensitive lens material is used, the pattern 73 is used as a light shielding region, and the non-pattern part is used as a transparent region. The microlens 71 is made by utilizing the thermal reflow property of the material. After the microlens 71 corresponding to the G (green) pixel is formed, the same method is repeated using the second photomask shown in FIG. 2B, whereby R (red) and B without G display are displayed. The microlens 72 can be formed using the microlens photomask pattern 74 corresponding to the (blue) pixel.
前記ベイヤ配列に示したような市松模様状に複数色を配置した着色透明画素パターンを用いて、カラー固体撮像素子の色別の感度を調整して、白色に対する純白度を良好に入力する、いわゆるホワイトバランスの向上を図るために、着色透明画素パターンの色別に色純度や明るさの調整を必要に応じて行うことがある。最も簡単に行うには、各色別の着色透明画素パターンの膜厚を調整する方法がある。しかし、例えば、膜厚を薄くした着色透明画素パターンに対しては、その色が明るくなって撮像素子に取り込む光量が増えるため、素子の感度は向上するが、画素パターン色の純度が低下するので、素子の色分解性は低下する。明るさと色純度とを共に高めた着色透明画素パターンを形成するには、構成材料の着色透明樹脂材料の色特性を改善することが必要であり、容易ではない。 Using a colored transparent pixel pattern in which a plurality of colors are arranged in a checkered pattern as shown in the Bayer arrangement, the sensitivity of each color solid-state image sensor is adjusted, and the pure whiteness with respect to white is input well, so-called In order to improve white balance, color purity and brightness may be adjusted as necessary for each color of the colored transparent pixel pattern. The simplest method is to adjust the film thickness of the colored transparent pixel pattern for each color. However, for example, for a colored transparent pixel pattern with a thin film thickness, the color becomes brighter and the amount of light taken into the image sensor increases, so the sensitivity of the element improves, but the purity of the pixel pattern color decreases. The color separation property of the element is lowered. In order to form a colored transparent pixel pattern in which both brightness and color purity are improved, it is necessary to improve the color characteristics of the colored transparent resin material of the constituent material, which is not easy.
また、前述のように２段階のフォトリソグラフィー法によりマイクロレンズを形成する場合に、異なるパターン形状を有する２枚のフォトマスクを使い分けて、各着色透明画素パターン上のマイクロレンズ形状に差異を設けることにより、形成されるマイクロレンズの平面上の面積に差を付けて、色別の感度を補正し、ホワイトバランスの向上を図ることができる。２段階のフォトリソグラフィー法によるフローレンズタイプで、マイクロレンズ間の狭ギャップを保持することが可能となる。しかし、全画素上のマイクロレンズを２段階で形成する方法では、狭ギャップ化は達成できても、マイクロレンズの断面形状も含めて均一性を良好に形成することは困難であり、マイクロレンズの集光性能にばらつきが生じ易く、カラー固体撮像素子における色別の感度の制御が充分にできない。また、フォトリソグラフィー法の回数が多いことは、固体撮像素子の製造方法として、工程負荷を大きくすることになり、品質保証の面からも製造コストの面からも好ましくない。 In addition, when the microlens is formed by the two-step photolithography method as described above, a difference is provided in the microlens shape on each colored transparent pixel pattern by properly using two photomasks having different pattern shapes. Thus, it is possible to improve the white balance by making a difference in the area on the plane of the formed microlens and correcting the sensitivity for each color. It is a flow lens type based on a two-step photolithography method, and a narrow gap between microlenses can be maintained. However, in the method of forming microlenses on all pixels in two steps, it is difficult to form a good uniformity including the cross-sectional shape of the microlens even though a narrow gap can be achieved. The light condensing performance is likely to vary, and the sensitivity of each color in the color solid-state imaging device cannot be sufficiently controlled. In addition, a large number of photolithography methods increases process load as a method for manufacturing a solid-state imaging device, which is not preferable from the viewpoint of quality assurance and manufacturing cost.
本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、カラー固体撮像素子に設けるマイクロレンズに、隣接するマイクロレンズとのギャップを狭くして高い集光性能を与えるとともに、各色別の感度を安定的に調整できるように容易に形成する製造手段を提供することである。 The present invention is proposed in view of the above-mentioned problems, and the problem to be solved by the present invention is that a microlens provided in a color solid-state imaging device has a high gap by narrowing a gap between adjacent microlenses. It is an object of the present invention to provide a manufacturing means that can easily form so as to provide light performance and stably adjust the sensitivity of each color.
上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、複数の光電変換素子に１対１に対応して設けた矩形状の着色透明画素パターンの各々の上に１つずつマイクロレンズを形成するためのフォトマスクであって、マイクロレンズを着色透明画素パターン毎に独立分離させ、かつ、隣接するマイクロレンズとのギャップを小さく形成するため、２×２の着色透明画素を組の単位としたＢａｙｅｒ配列の一方の対角方向の着色透明画素パターンに対応するマイクロレンズＡ用のパターンが前記一方の対角方向の着色透明画素パターンに内接する八角形形状の第一のパターンと、他方の対角方向の着色透明画素パターンに対応するマイクロレンズＢ用のパターンが前記他方の対角方向の着色透明画素パターンに内包される四角形形状の第二のパターンが、同一の有効面上に繰り返し配置されることを特徴とするマイクロレンズ用フォトマスクである。
As a means for solving the above problems, according to the invention according to claim 1, on each of the plurality of rectangular digits set in one-to-one correspondence with the photoelectric conversion element deposited color transparent pixel pattern Photomask for forming microlenses one by one , 2 × 2 colored transparent to separate the microlens independently for each colored transparent pixel pattern and to form a small gap with the adjacent microlens The first octagonal shape in which the pattern for the microlens A corresponding to one diagonally colored transparent pixel pattern of the Bayer array having pixels as a unit is inscribed in the one diagonally colored transparent pixel pattern pattern and a square shape with a pattern of micro lenses B corresponding to the colored transparent pixel pattern in the other diagonal direction are contained in the colored transparent pixel pattern of the other diagonal direction The second pattern is a photomask microlenses, characterized in that it is placed repeatedly on the same effective surface.
また、請求項２に記載の発明は、前記Ｂａｙｅｒ配列の緑色画素パターンの位置に前記マイクロレンズＡ用の第一のパターンを設け、前記Ｂａｙｅｒ配列の青色画素パターンの位置と赤色画素パターンの位置に前記マイクロレンズＢ用の第二のパターンを設けたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ用フォトマスクである。
According to a second aspect of the present invention, a first pattern for the microlens A is provided at the position of the green pixel pattern of the Bayer array, and the position of the blue pixel pattern and the position of the red pixel pattern of the Bayer array are provided. a photomask microlens according to claim 1, characterized in that said second pattern for microlenses B digits set.
また、請求項３に記載の発明は、請求項１、または２に記載のフォトマスクの前記第一のパターンおよび前記第二のパターンが濃度階調付き遮光部のパターンであることを特徴とするマイクロレンズ用フォトマスクである。
The invention described in Claim 3, and characterized in that 請 Motomeko 1, or the photo-mask according to 2 first pattern and the second pattern is the pattern of concentration gradation with shielding portion it is a photo-mask to luma microlenses.
また、請求項４に記載の発明は、複数の光電変換素子の各々に対応して、市松模様状に複数色を規則的に配置した着色透明画素パターンを設けた後、各着色透明画素パターン上に１つずつマイクロレンズを形成する工程が、マイクロレンズに加工すべき透明樹脂層を所定の平面上に形成する工程と、感光性樹脂からなるフォトレジスト層を該透明樹脂層上に形成する工程と、フォトマスクを用いてフォトリソグラフィー法によりフォトレジスト層をパターニングする工程と、フォトレジストパターンを熱溶融して、凸面形状の転写用マイクロレンズパターンとする工程と、前記透明樹脂層上の転写用マイクロレンズパターンをエッチングレジストとして前記透明樹脂層にエッチング転写する工程と、を順に行うカラー固体撮像素子の製造方法であって、前記フォトマスクが、請求項１、２のいずれかに記載のマイクロレンズ用フォトマスクであることを特徴とするカラー固体撮像素子の製造方法である。
The invention according to claim 4, in response to each of the photoelectric conversion elements of the multiple, after forming the colored transparent pixel pattern arranged a plurality of colors regularly in a checkered pattern, the colored transparent pixel pattern forming one each microlens to top, forming a transparent resin layer to be processed into a micro lens on a predetermined plane, a photoresist layer made of photosensitive resin on the transparent resin layer a step, a step of patterning the photoresist layer by photolithography using a full Otomasuku and the photoresist pattern is thermally fused, a step of the transfer microlens pattern of convex, transferred on the transparent resin layer method for producing a color solid-state imaging device that performs the step of etching transferred to the transparent resin layer to use microlens pattern as an etching resist, in this order There are, the photomask is a method for producing a color solid-state imaging device which is a microlens photomask according to any one of claims 1 and 2.
また、請求項５に記載の発明は、複数の光電変換素子の各々に対応して、市松模様状に複数色を規則的に配置した着色透明画素パターンを設けた後、各着色透明画素パターン上に１つずつマイクロレンズを形成する工程が、マイクロレンズに加工すべき感光性の透明樹脂層を所定の平面上に形成する工程と、フォトマスクを用いるフォトリソグラフィー法により前記感光性の透明樹脂層をパターニングして、凸面形状のマイクロレンズパターンを形成する工程と、を順に行うカラー固体撮像素子の製造方法であって、前記フォトマスクが、請求項３に記載のマイクロレンズ用フォトマスクであることを特徴とするカラー固体撮像素子の製造方法である。
The invention described in Claim 5, corresponding to each of the photoelectric conversion elements of the multiple, after forming the colored transparent pixel pattern arranged a plurality of colors regularly in a checkered pattern, the colored transparent pixel pattern step, a step of forming a photosensitive transparent resin layer to be processed into a micro lens on a predetermined plane, the photosensitive transparent resin by a photolithographic method using a photomask to form a one by one microlens on patterning the layers, a method for producing a color solid-state imaging device performing the steps of forming a microlens pattern of convex shape, in this order, the photomask is the microlens photomask according to claim 3 This is a method for manufacturing a color solid-state imaging device.
本発明のカラー固体撮像素子のマイクロレンズ用フォトマスクは、カラー固体撮像素子の着色透明画素パターンの各々の上に、１つずつマイクロレンズを形成するためのフォトマスクであって、市松模様状の特定の対角方向に配置するマイクロレンズＡ用のマスクパターンＡと、他の異なる対角方向に配置するマイクロレンズＢ用のマスクパターンＢと、が同一のフォトマスク有効面上に異なる寸法で配置されるので、カラー固体撮像素子に設けるマイクロレンズに、隣接するマイクロレンズとのギャップを狭くして高い集光性能を与えるとともに、各色別の感度を安定的に調整できるように容易に形成することができる。また、請求項４または５に記載のカラー固体撮像素子の製造方法によれば、本発明のフォトマスクを用いる簡単な工程で、上記の高性能のマイクロレンズを形成し、色別の感度調整に優れたカラー固体撮像素子を提供することができる。 A photomask for a microlens of a color solid-state image pickup device according to the present invention is a photomask for forming a microlens one by one on each colored transparent pixel pattern of a color solid-state image pickup device, and has a checkered pattern. A mask pattern A for microlenses A arranged in a specific diagonal direction and a mask pattern B for microlenses B arranged in different diagonal directions are arranged with different dimensions on the same photomask effective surface. Therefore, the microlens provided in the color solid-state image sensor should be easily formed so that the gap between adjacent microlenses is narrowed to provide high light collecting performance and the sensitivity for each color can be adjusted stably. Can do. In addition, according to the method for manufacturing a color solid-state image pickup device according to claim 4 or 5, the high-performance microlens is formed in a simple process using the photomask of the present invention, and sensitivity adjustment for each color is performed. An excellent color solid-state imaging device can be provided.
以下、図面に従って、本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明のフォトマスクのパターン配置の一例を説明するための模式平面図である。
図は、一点鎖線で仕切られた画素区画に対応するフォトマスク１０の一部を示し、一区画が、カラー固体撮像素子の複数の光電変換素子に１対１に対応する着色透明画素パターン６に合わせて形成される。フォトマスクを合わせる対象とする着色透明画素パターン６を、参考のために図に併せて表示しており、市松模様状に複数色を規則的に配置した４つの着色透明画素パターンの組、例えば、図で左上の４画素の組を単位として、Ｇ（緑色）Ｂ（青色）Ｒ（赤色）Ｇ（緑色）の市松模様状配置、を繰り返し配列している。すなわち、左上の４画素の組を単位とした矩形状の領域を小矩形状に四等分し、各対角方向の部位に着色透明画素パターンを配置し、矩形状の領域を縦横方向に繰り返し配列して、各異なる対角方向の着色透明画素パターンがそれぞれ市松模様状になるように形成した例を示している。
本発明のフォトマスク１０は、上記の着色透明画素パターン６の各々の上に、１つずつマイクロレンズを形成するためのフォトマスクである。市松模様状の特定の対角方向、本図面でＧを連ねる方向に配置する八角形で示すマイクロレンズＡを緑色画素対応のマイクロレンズとして、マイクロレンズＡ用のパターンをフォトマスクの第一のパターン７５とする。また、市松模様状の他の異なる対角方向、本図面でＢとＲとを連ねる方向に配置する矩形で示すマイクロレンズＢを青色画素対応と赤色画素対応とのマイクロレンズとして、マイクロレンズＢ用のパターンをフォトマスクの第二のパターン７６とする。本発明は、第一のパターン７５と第二のパターン７６とが、同一のフォトマスク有効面上に異なる寸法で配置されることを特徴とする。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic plan view for explaining an example of the pattern arrangement of the photomask of the present invention.
The figure shows a part of a photomask 10 corresponding to a pixel section partitioned by a one-dot chain line, and one section is a colored transparent pixel pattern 6 corresponding one-to-one to a plurality of photoelectric conversion elements of a color solid-state imaging device. They are formed together. A colored transparent pixel pattern 6 to be matched with a photomask is displayed in the figure for reference, and a set of four colored transparent pixel patterns in which a plurality of colors are regularly arranged in a checkered pattern, for example, In the figure, a checkered pattern arrangement of G (green), B (blue), R (red), and G (green) is repeatedly arranged with a group of four pixels at the upper left as a unit. In other words, a rectangular area with the upper left four-pixel group as a unit is divided into four equal parts, a colored transparent pixel pattern is arranged in each diagonal part, and the rectangular area is repeated vertically and horizontally. An example is shown in which the colored transparent pixel patterns in different diagonal directions are arranged in a checkered pattern.
The photomask 10 of the present invention is a photomask for forming one microlens on each of the colored transparent pixel patterns 6. A microlens A indicated by an octagon arranged in a specific diagonal direction of checkered pattern, the direction connecting G in the drawing, is a microlens corresponding to a green pixel, and the pattern for microlens A is the first pattern of the photomask. 75. For microlens B, microlens B shown by a rectangle arranged in other different diagonal directions in a checkered pattern, a direction in which B and R are connected in this drawing, is a microlens for blue pixels and red pixels. This pattern is a second pattern 76 of the photomask. The present invention is characterized in that the first pattern 75 and the second pattern 76 are arranged with different dimensions on the same photomask effective surface.
図３は、本発明のフォトマスクのパターン配置の一例を部分拡大して説明するための模式平面図である。
前述のように、着色透明画素パターン６中の対角方向に配置した緑色画素パターンＧ上に八角形で示すマイクロレンズＡを設け、他の異なる対角方向に配置した青色画素パターンＢ上と赤色画素パターンＲ上に矩形で示すマイクロレンズＢを設ける場合に、本発明に記載するカラー固体撮像素子のマイクロレンズ用フォトマスクは、また、マイクロレンズＡ用の第一のパターン７５をマイクロレンズＢ用の第二のパターン７６より大きく形成することを特徴とする。なお、ここで言うパターンの大きさは、一点鎖線で示す一定ピッチに配列される画素区画に対して、第一のパターン７５と第二のパターン７６のそれぞれを代
表する平面パターンの寸法、ａ１とａ２を指す。各画素区画の平面形状は正方形または縦横比が一定の矩形であり、画素区画に１対１に対応するそれぞれのマイクロレンズパターンを代表するマスクパターンの寸法をそれぞれ一つの数値で表すことができる。すなわち、ａ１をａ２より大きく形成することにより、対応するマイクロレンズＡをマイクロレンズＢより大きくでき、人の眼の視感度の高い緑色画素に対する感度を高く調整したカラー固体撮像素子を製造することができる。
なお、マイクロレンズを画素区画毎に独立分離し、かつ、隣接するマイクロレンズとのギャップをできるだけ小さく形成することが望ましいので、第一のパターン７５と第二のパターン７６の寸法と配置は、後述のマイクロレンズ製造工程のタイプに依存する一定の隙間を保持して設ける。
FIG. 3 is a schematic plan view for explaining a partially enlarged example of the pattern arrangement of the photomask of the present invention.
As described above, the microlens A shown as an octagon is provided on the green pixel pattern G arranged in the diagonal direction in the colored transparent pixel pattern 6, and the red color and the blue pixel pattern B arranged in other diagonal directions are red. When the microlens B indicated by a rectangle is provided on the pixel pattern R, the photomask for the microlens of the color solid-state image pickup device described in the present invention also uses the first pattern 75 for the microlens A for the microlens B. The second pattern 76 is larger than the second pattern 76. The size of the pattern referred to here is the dimension of a plane pattern representing each of the first pattern 75 and the second pattern 76 with respect to the pixel sections arranged at a constant pitch indicated by the alternate long and short dash line, a 1 to refer to a 2. The planar shape of each pixel section is a square or a rectangle having a constant aspect ratio, and the dimension of the mask pattern representing each microlens pattern corresponding to the pixel section in a one-to-one relationship can be represented by one numerical value. That is, by forming a 1 larger than a 2 , the corresponding microlens A can be made larger than the microlens B, and a color solid-state imaging device in which the sensitivity to green pixels with high human eye visibility is adjusted to be high is manufactured. be able to.
Since it is desirable to separate the microlenses independently for each pixel section and to form a gap between adjacent microlenses as small as possible, the dimensions and arrangement of the first pattern 75 and the second pattern 76 will be described later. A certain gap depending on the type of microlens manufacturing process is provided.
マイクロレンズの基本的な製造プロセスとしては、前述のとおり、フローレンズタイプやエッチング転写タイプが、いずれも可能である。本発明は、特にエッチング転写タイプのマイクロレンズ製造工程に、従来の２枚のフォトマスクによる２回のフォトリソグラフィー法を繰り返す複雑な工程とは異なる本発明のフォトマスクを用いる簡単な工程を採用することにより、容易に高性能のマイクロレンズを形成し、色別の感度調整に優れたカラー固体撮像素子を提供する効果が大きい。
以下、図５（ａ）〜（ｅ）のマイクロレンズ形成工程順に示す模式断面図に従って、本発明のカラー固体撮像素子の製造方法の一例を説明する。
As a basic manufacturing process of the microlens, as described above, any of a flow lens type and an etching transfer type is possible. The present invention employs a simple process using the photomask of the present invention, which is different from the complicated process of repeating the conventional photolithographic method using two photomasks, particularly in the etching transfer type microlens manufacturing process. As a result, the effect of providing a color solid-state imaging device that easily forms high-performance microlenses and is excellent in sensitivity adjustment for each color is great.
Hereinafter, an example of the method for producing the color solid-state imaging device of the present invention will be described according to the schematic cross-sectional views shown in the order of the microlens formation steps in FIGS.
図５（ａ）は、カラー固体撮像素子のマイクロレンズを設ける前の模式断面図であって、シリコン等の半導体基板２上に規則的に設けた複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、透明平坦化層５を介して、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターン６を光電変換素子３に対応させて複数設け、さらに第二の透明平坦化層５１により着色透明画素パターン６を配列した平面上の平坦化を行った後に、マイクロレンズに加工すべき透明樹脂層４６を均一に塗布形成した状態を表す。着色透明画素パターン６は、２×２の画素の組を単位として、市松模様状に緑色画素が配置され、他の画素が青色画素と赤色画素の対角配置となっている。透明樹脂層４６は、アクリル系の透明樹脂材料を、スピンコーターを用いて乾燥時の膜厚１．３μｍに均一に塗布できる。乾燥工程にはホットプレートを用いて短時間で均一に乾燥できる。なお、本例に使用する透明樹脂材料は、後述のドライエッチングによる転写を行うため、ドライエッチング適性の優れた材料が望ましい。
さらに、図示されていないが、透明樹脂層４６上に、エッチングレートの異なる他の透明樹脂層を設けることもできる。エッチングレートの異なる他の透明樹脂層を積層することにより、マイクロレンズの高さの調整が可能となる。材料としては、アクリル系の透明樹脂材料を用いることができる。
FIG. 5A is a schematic cross-sectional view before providing a microlens for a color solid-state image pickup device, in which a plurality of photoelectric conversion elements 3 regularly provided on a semiconductor substrate 2 such as silicon are arranged in a plane. A plurality of colored transparent pixel patterns 6 in which a plurality of colors are repeatedly arranged corresponding to the photoelectric conversion element 3 are provided on the light-receiving surface side surface of the element pixel portion via the transparent flattening layer 5, and the second transparent flattening layer After the flattening on the plane in which the colored transparent pixel patterns 6 are arranged by 51, the transparent resin layer 46 to be processed into microlenses is uniformly applied and formed. In the colored transparent pixel pattern 6, green pixels are arranged in a checkered pattern in units of 2 × 2 pixels, and other pixels are diagonally arranged with blue pixels and red pixels. The transparent resin layer 46 can uniformly apply an acrylic transparent resin material to a thickness of 1.3 μm when dried using a spin coater. The drying process can be performed uniformly in a short time using a hot plate. In addition, since the transparent resin material used in this example performs transfer by dry etching described later, a material excellent in dry etching suitability is desirable.
Further, although not shown, another transparent resin layer having a different etching rate may be provided on the transparent resin layer 46. By stacking other transparent resin layers having different etching rates, the height of the microlens can be adjusted. As the material, an acrylic transparent resin material can be used.
次に、透明樹脂層４６上に、アルカリ可溶性と感光性と熱リフロー性を有する樹脂であるフォトレジスト材料をスピンコーターにより均一に塗布してフォトレジスト層４２を形成する。フォトレジスト層４２として、アクリル系またはノボラック系のポジ型レジスト材料をスピンコーターを用いて乾燥膜厚０．４μｍに均一に塗布できる。乾燥はホットプレートを用いて１００℃以下の低温で行う。
次に、フォトレジスト層４２を形成した基板に対して、フォトリソグラフィー法によりパターニングする。露光工程は、図５（ｂ）に示すように、ポジ型のフォトレジストを残すべき領域に対応して遮光部１１のパターンを設け、他を光透過部１２として予めパターン形成したフォトマスク１０を、対象とする基板に対して正確に位置合わせし、例えば、水銀ランプ光源からの波長３６５ｎｍ光を用いるｉ線ステッパーからの平行な照射光９をフォトマスク１０の背面から照射することにより選択的に露光できる。遮光部のマスクパターンの例として、１辺が１．３５μｍの正方形のコーナー部を除いた八角形と１辺が１．１５μｍの正方形とを市松模様状に配置したフォトマスクを用いることができる。露光条件は、使用するフォトレジスト材料の膜厚、感度、また、現像液の条件等により決定する。
Next, a photoresist layer 42 is formed by uniformly applying a photoresist material, which is a resin having alkali solubility, photosensitivity, and thermal reflow property, onto the transparent resin layer 46 by a spin coater. As the photoresist layer 42, an acrylic or novolac positive resist material can be uniformly applied to a dry film thickness of 0.4 μm using a spin coater. Drying is performed at a low temperature of 100 ° C. or lower using a hot plate.
Next, the substrate on which the photoresist layer 42 is formed is patterned by a photolithography method. In the exposure process, as shown in FIG. 5B, a pattern of the light shielding part 11 is provided corresponding to the region where the positive photoresist should be left, and the other is used as a light transmission part 12 to form a photomask 10 that has been previously patterned. , Accurately align with the target substrate and selectively irradiate from the back surface of the photomask 10 with parallel irradiation light 9 from an i-line stepper using light of wavelength 365 nm from a mercury lamp light source, for example. Can be exposed. As an example of the mask pattern of the light shielding portion, a photomask in which an octagon excluding a square corner portion with a side of 1.35 μm and a square with a side of 1.15 μm are arranged in a checkered pattern can be used. The exposure conditions are determined by the film thickness and sensitivity of the photoresist material to be used, the developer conditions, and the like.
次に、現像工程を行って、図５（ｃ）に示すように、フォトレジストパターン４３を形成する。現像には、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）やアミン系の有機アルカリ現像液を用いることができる。スピン現像やパドル現像の方法により、フォトレジスト層４２の現像処理を均一に進めることができ、フォトマスク１０の遮光部１１に対応するフォトレジストパターン４３を残して、他を溶解除去する。 Next, a developing process is performed to form a photoresist pattern 43 as shown in FIG. For development, TMAH (tetramethylammonium hydroxide) or an amine-based organic alkali developer can be used. By the spin development or paddle development method, the development process of the photoresist layer 42 can be progressed uniformly. The photoresist pattern 43 corresponding to the light-shielding portion 11 of the photomask 10 is left, and the others are dissolved and removed.
次に、図５（ｄ）に示すように、フォトレジストパターン４３を、材料の熱リフロー性を利用して熱溶融により成形することにより、レンズ母型となる凸面状の転写用マイクロレンズパターン４４を透明樹脂層４６上に形成する。本工程の熱溶融には、ホットプレート装置を用いて、例えば、１４０℃、２分間加熱後に２００℃、２分間の高温加熱を行うというステップベイキングの手法により、材料溶融時の表面張力で規制される半球面形状を良好に形成することができる。上記加熱温度が、フォトレジストパターン４３から転写用マイクロレンズパターン４４への成形に有効であるとともに、透明樹脂層４６を始めとする下層材料に悪影響を与えない条件で決める必要があることは言うまでも無い。 Next, as shown in FIG. 5 (d), a photoresist pattern 43 is molded by thermal melting utilizing the thermal reflow property of the material, thereby forming a convex transfer microlens pattern 44 serving as a lens matrix. Is formed on the transparent resin layer 46. The heat melting in this step is regulated by the surface tension at the time of material melting by using a hot plate apparatus, for example, a step baking method of heating at 140 ° C. for 2 minutes and then heating at 200 ° C. for 2 minutes. The hemispherical shape can be satisfactorily formed. It goes without saying that the heating temperature is effective for molding from the photoresist pattern 43 to the transfer microlens pattern 44 and should be determined under conditions that do not adversely affect the lower layer material including the transparent resin layer 46. There is no.
次に、透明樹脂層４６上に形成した転写用マイクロレンズパターン４４をエッチングレジストとして、前記透明樹脂層４６にエッチング転写し、図５（ｅ）に示すように、マイクロレンズ７７を形成する。エッチング処理の方法としては、Ｃ３Ｆ８等のフッ素系ガスによるドライエッチングを、例えば０．３μｍ／ｍｉｎ．のエッチレートで３分間で行うことができ、その結果、凸面レンズ高さ０．５μｍで、隣接マイクロレンズとのギャップをゼロとして、市松模様状に平面寸法が異なるマイクロレンズを同時に形成できる。
ドライエッチングにより転写されるマイクロレンズ７７の断面形状は、レンズ母型とした転写用マイクロレンズパターン４４に基本的には忠実であるが、転写用マイクロレンズパターン４４の素材となるフォトレジスト層４２と、マイクロレンズ７７の素材となる透明樹脂層４６との、実際のドライエッチング条件におけるエッチレート比や、エッチング深度による種々の影響により変化するので、望ましい断面形状を得るための条件は個々のケースにより調整する。
Next, using the transfer microlens pattern 44 formed on the transparent resin layer 46 as an etching resist, the microlens 77 is formed by etching and transferring to the transparent resin layer 46 as shown in FIG. As the etching method, dry etching using a fluorine-based gas such as C 3 F 8 is performed, for example, at 0.3 μm / min. As a result, it is possible to simultaneously form microlenses having different planar dimensions in a checkered pattern with a convex lens height of 0.5 μm and a gap between adjacent microlenses of zero.
The cross-sectional shape of the microlens 77 transferred by dry etching is basically faithful to the transfer microlens pattern 44 used as a lens matrix, but the photoresist layer 42 that is the material of the transfer microlens pattern 44 and The conditions for obtaining a desired cross-sectional shape vary depending on the etching rate ratio under the actual dry etching conditions and various influences due to the etching depth with the transparent resin layer 46 that is the material of the microlens 77. adjust.
上述の実施形態において、遮光部のマスクパターン寸法のみを変えて、１辺が１．３５μｍの正方形のコーナー部を除いた八角形と１辺が０．９５μｍの正方形とを市松模様状に配置したフォトマスクを用いて、マイクロレンズを形成した場合は、隣接マイクロレンズとのギャップをゼロにはできないが、市松模様状に平面寸法が異なるマイクロレンズを同時に形成できる。
一方、遮光部のマスクパターン寸法のみを変えて、１辺が１．２５μｍの正方形のコーナー部を除いた八角形だけを縦横に配列したフォトマスクを用いて、マイクロレンズを形成した場合は、平面寸法が同一のマイクロレンズしか得られないことが確認できる。
In the above-described embodiment, only the mask pattern dimension of the light shielding portion is changed, and an octagon excluding a square corner portion having a side of 1.35 μm and a square having a side of 0.95 μm are arranged in a checkered pattern. When microlenses are formed using a photomask, the gap between adjacent microlenses cannot be made zero, but microlenses having different planar dimensions can be simultaneously formed in a checkered pattern.
On the other hand, when the microlens is formed using a photomask in which only the octagonal shape excluding a square corner portion having a side of 1.25 μm is changed in length and width by changing only the mask pattern dimension of the light shielding portion, It can be confirmed that only microlenses having the same dimensions can be obtained.
同一のフォトマスク有効面上に異なる寸法で配置される市松模様状のパターンを形成する、カラー固体撮像素子のマイクロレンズ用フォトマスクにおいて、市松模様状の特定の対角方向に配置するマイクロレンズＡ用の第一のパターンと、市松模様状の他の異なる対角方向に配置するマイクロレンズＢ用の第二のパターンとの寸法比を、上記のように各種検討した。その結果、隣接マイクロレンズとのギャップをゼロに近づけて市松模様状に平面寸法が異なるマイクロレンズを同時に形成できるような第一のパターンと第二のパターンとの寸法比が、１：０．７５〜１：０．９５の範囲にあることが好ましいことを確認した。 In a photomask for a microlens of a color solid-state imaging device that forms a checkered pattern arranged with different dimensions on the same photomask effective surface, a microlens A arranged in a specific diagonal direction of the checkered pattern Various dimensional ratios were examined as described above between the first pattern for use and the second pattern for the microlens B arranged in other different diagonal directions in a checkered pattern. As a result, the dimensional ratio between the first pattern and the second pattern that can simultaneously form microlenses having different plane dimensions in a checkered pattern with the gap between adjacent microlenses approaching zero is 1: 0.75. It was confirmed that it was preferably in the range of ˜1: 0.95.
上述の好ましい種々の条件を選択することによって、カラー固体撮像素子に設けるマイ
クロレンズに、隣接するマイクロレンズとのギャップを狭くして高い集光性能を与えるとともに、各色別の感度を安定的に調整できるように異なる寸法を組み合わせたマイクロレンズを容易に形成することができる。また、本発明のフォトマスクを用いる簡単な工程で、上記の高性能のマイクロレンズを形成し、色別の感度調整に優れたカラー固体撮像素子を提供することができる。
By selecting the various preferable conditions described above, the microlens provided in the color solid-state image sensor is provided with high light collection performance by narrowing the gap between adjacent microlenses, and the sensitivity for each color is stably adjusted. A microlens in which different dimensions are combined can be easily formed as much as possible. In addition, the above-described high-performance microlens can be formed by a simple process using the photomask of the present invention, and a color solid-state imaging device excellent in sensitivity adjustment for each color can be provided.
図６は、本発明のカラー固体撮像素子の製造方法の他の一例、すなわち、材料の熱溶融による熱リフロー性を利用せず、レンズ母型からのエッチング転写も利用しないで、濃度階調付きフォトマスクによる高度なフォトリソグラフィー技術のみにより、凸面形状のマイクロレンズを短い工程で形成する例、を説明するための模式断面図であって、（ａ）〜（ｃ）のマイクロレンズ形成工程順に示す。
図６（ａ）は、カラー固体撮像素子のマイクロレンズを設ける前の模式断面図であって、感光性を有する透明樹脂層４０を、前述の図５（ａ）で説明した非感光性の透明樹脂層４６に代えて使用する以外は、前述のエッチング転写タイプの工程の初期と同様である。
感光性を有する透明樹脂層４０として、アクリル系の透明樹脂材料にアルカリ可溶性と感光性を付与し、スピンコーターを用いて乾燥時の膜厚１．３〜１．７μｍに均一に塗布できる。乾燥工程にはホットプレートを用いて短時間で均一に乾燥できる。
FIG. 6 shows another example of the manufacturing method of the color solid-state image pickup device of the present invention, that is, without using the thermal reflow property due to the thermal melting of the material, without using the etching transfer from the lens matrix, and with the density gradation. It is a schematic cross section for demonstrating the example which forms a convex-shaped microlens by a short process only with the advanced photolithographic technique by a photomask, Comprising: It shows in order of the microlens formation process of (a)-(c). .
FIG. 6A is a schematic cross-sectional view before providing the microlens of the color solid-state imaging device, and the transparent resin layer 40 having photosensitivity is replaced with the non-photosensitive transparent described with reference to FIG. The process is the same as the initial stage of the etching transfer type process except that the resin layer 46 is used instead.
As the transparent resin layer 40 having photosensitivity, alkali solubility and photosensitivity are imparted to an acrylic transparent resin material, and the film can be uniformly applied to a film thickness of 1.3 to 1.7 μm when dried using a spin coater. The drying process can be performed uniformly in a short time using a hot plate.
次に、露光工程を図６（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法により、感光性の透明樹脂層４０のパターニングを行う。ここで、ポジ型の感光性透明樹脂層４０に対して、マイクロレンズ形状に残すべき領域に対応して濃度階調付き遮光部２１のパターンを設け、他を光透過部２２としてパターン形成した濃度階調付きフォトマスク２０を予め準備しておく。 Next, as shown in FIG. 6B, the photosensitive transparent resin layer 40 is patterned by a photolithography method in the exposure process. Here, with respect to the positive type photosensitive transparent resin layer 40, the density of the light-shielding portion 21 with density gradation corresponding to the region to be left in the microlens shape is provided, and the other is formed as a pattern with the light transmission portion 22 formed. A photomask 20 with gradation is prepared in advance.
本例に使用する濃度階調付きフォトマスクについて、以下に説明する。
図４は、濃度階調付きフォトマスクを説明するための模式平面図であって、（ａ）は比較対象としての従来のタイプ、（ｂ）は濃度階調付きのタイプである。いずれも、光透過部１２、２２で仕切られた遮光部１１、濃度階調付き遮光部２１を有し、簡単のために、パターン形状は模式的に同一の矩形で示している。
本発明のカラー固体撮像素子の製造方法の内、前述の例、すなわちレジストパターンを熱リフローによりレンズ母型として、エッチング転写によりマイクロレンズを形成する製造方法においては、図４（ａ）に示す通常の２値化フォトマスクを用い、遮光部１１の領域内は均一な遮光濃度を有するフォトマスクであった。一方、本例の凸面形状のマイクロレンズを濃度階調付きフォトマスクにより直接形成する製造方法においては、図４（ｂ）に示す濃度階調付きのフォトマスクを用いる。すなわち、遮光部２１の領域内は、例えば、各遮光部パターンの中央部が最大の遮光濃度を有し、周辺に向かうにつれて遮光性が低下するような濃度階調付き遮光部２１とする。濃度階調を適切に制御することにより、フォトリソグラフィー法における露光量の緩やかな変化を実現し、現像後に凸面形状の曲面を得ることができる。
The photomask with density gradation used in this example will be described below.
4A and 4B are schematic plan views for explaining a photomask with density gradation, where FIG. 4A is a conventional type as a comparison target, and FIG. 4B is a type with density gradation. Each of them has a light shielding part 11 and a light shielding part with density gradation 21 which are partitioned by light transmitting parts 12 and 22, and the pattern shape is schematically shown by the same rectangle for simplicity.
Of the manufacturing methods of the color solid-state imaging device of the present invention, the above-described example, that is, a manufacturing method in which a resist pattern is used as a lens matrix by thermal reflow and a microlens is formed by etching transfer is usually shown in FIG. The photomask having a uniform light shielding density in the region of the light shielding portion 11 was used. On the other hand, in the manufacturing method for directly forming the convex microlenses of this example using the photomask with density gradation, the photomask with density gradation shown in FIG. 4B is used. That is, in the area of the light-shielding part 21, for example, the light-shielding part with density gradation is set such that the central part of each light-shielding part pattern has the maximum light-shielding density and the light-shielding property decreases toward the periphery. By appropriately controlling the density gradation, it is possible to realize a gradual change of the exposure amount in the photolithography method and obtain a convex curved surface after development.
なお、通常の２値化フォトマスクは、露光光に対して透明性の良好な石英やガラス等の基板表面に金属クロム等の遮光性膜による遮光部パターンを光透過部とを区別してパターン形成することにより、通常知られた方法で作製される。また、濃度階調付き遮光部２１を形成するには、前記基板上に、通常の濃度階調付きフォトマスクの製造方法を適用できる。すなわち、遮光性の金属膜等の膜厚を漸次変化させて領域内に濃度傾斜を設ける手法や、ドット（網点）配列やライン・アンド・スペースのような遮光膜の微細パターンの集合状態を変化させて、微細パターン各領域の平均的遮光濃度を傾斜させるグレートーンタイプの手法などが可能である。 Note that a normal binary photomask is formed by separating a light-shielding part pattern made of a light-shielding film such as metal chromium on the surface of a substrate such as quartz or glass having good transparency with respect to exposure light and distinguishing it from the light transmitting part. By doing so, it is produced by a generally known method. In order to form the light-shielding portion 21 with density gradation, a normal method for manufacturing a photomask with density gradation can be applied to the substrate. In other words, the method of providing a concentration gradient in the region by gradually changing the film thickness of the light-shielding metal film, etc., and the aggregate state of the fine pattern of the light-shielding film such as dot (halftone dot) arrangement and line and space For example, a gray-tone type method in which the average light-shielding density of each region of the fine pattern is changed to be changed is possible.
図６（ｂ）に示す露光工程は、透明樹脂層４０のパターニングされるべき位置に対して
、濃度階調付きフォトマスク２０を正確に位置合わせし、例えば、水銀ランプ光源からの波長３６５ｎｍ光を用いるｉ線ステッパーからの平行な照射光９をフォトマスク２０の背面から照射することにより露光できる。露光条件は、使用する感光性透明樹脂層４０の膜厚、感度、また、現像液の条件等により決定する。
In the exposure step shown in FIG. 6B, the photomask 20 with density gradation is accurately aligned with the position where the transparent resin layer 40 is to be patterned, and for example, light having a wavelength of 365 nm from a mercury lamp light source is used. Exposure can be performed by irradiating parallel irradiation light 9 from the used i-line stepper from the back surface of the photomask 20. The exposure conditions are determined by the film thickness and sensitivity of the photosensitive transparent resin layer 40 to be used, the conditions of the developer, and the like.
次に、現像工程を行って、図６（ｃ）に示すように、透明樹脂パターンをそのままマイクロレンズ７８として形成する。現像には、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）やアミン系の有機アルカリ現像液を用いることができる。スピン現像やパドル現像の方法により、透明樹脂層４０の現像処理を前工程の局部的な露光量に応じて進めることができ、フォトマスク２０の濃度階調付き遮光部２１に対応する凸面形状を有するマイクロレンズ７８を残すように、他の部分を溶解除去する。 Next, a development process is performed to form a transparent resin pattern as it is as a microlens 78 as shown in FIG. For development, TMAH (tetramethylammonium hydroxide) or an amine-based organic alkali developer can be used. The development process of the transparent resin layer 40 can proceed according to the local exposure amount of the previous process by the spin development or paddle development method, and the convex shape corresponding to the light shielding part 21 with the density gradation of the photomask 20 can be obtained. Other portions are dissolved and removed so as to leave the microlens 78 having the same.
このように、濃度階調付きフォトマスクを用いる直接形成工程によるマイクロレンズ７８は、マイクロレンズの素材となる透明樹脂の感光性を利用して、比較的短い工程で形成することができる。しかも、本例の製造工程により形成されるマイクロレンズは、熱リフロー工程を必要としないので、隣接するマイクロレンズ間のギャップの制御を初期のフォトマスクパターンに忠実に行うことができる。
以上の方法により、カラー固体撮像素子に設けるマイクロレンズに、隣接するマイクロレンズとのギャップを狭くして高い集光性能を与えるとともに、各色別の感度を安定的に調整できるように異なる寸法を組み合わせたマイクロレンズを容易に形成することができる。また、本発明のフォトマスクを用いる簡単な工程で、上記の高性能のマイクロレンズを形成し、色別の感度調整に優れたカラー固体撮像素子を提供することができる。
As described above, the microlens 78 by the direct formation process using the photomask with density gradation can be formed in a relatively short process by using the photosensitivity of the transparent resin that is the material of the microlens. Moreover, since the microlens formed by the manufacturing process of this example does not require a thermal reflow process, the gap between adjacent microlenses can be controlled faithfully to the initial photomask pattern.
By the above method, the microlens provided in the color solid-state image sensor is combined with different dimensions so that the gap between the adjacent microlenses is narrowed to provide high light collection performance and the sensitivity for each color can be adjusted stably. A microlens can be easily formed. In addition, the above-described high-performance microlens can be formed by a simple process using the photomask of the present invention, and a color solid-state imaging device excellent in sensitivity adjustment for each color can be provided.
１・・・カラー固体撮像素子
２・・・半導体基板
３・・・光電変換素子
４・・・固体撮像素子画素部の受光面側表面
５・・・透明平坦化層
６・・・着色透明画素パターン
９・・・照射光
１０・・・フォトマスク
１１・・・遮光部
１２・・・光透過部
２０・・・フォトマスク（濃度階調付き）
２１・・・濃度階調付き遮光部
２２・・・光透過部
４０・・・透明樹脂層（感光性）
４２・・・フォトレジスト層
４３・・・フォトレジストパターン
４４・・・転写用マイクロレンズパターン（レンズ母型）
４６・・・透明樹脂層（非感光性）
５１・・・第二の透明平坦化層
７１、７２・・・マイクロレンズ
７３・・・第一のフォトマスクのパターン（緑色画素対応のマイクロレンズ用）
７４・・・第二のフォトマスクのパターン（赤色、青色画素対応のマイクロレンズ用）
７５・・・フォトマスクの第一のパターン（緑色画素対応のマイクロレンズ用）
７６・・・フォトマスクの第二のパターン（赤色、青色画素対応のマイクロレンズ用）
７７、７８・・・マイクロレンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Color solid-state image sensor 2 ... Semiconductor substrate 3 ... Photoelectric conversion element 4 ... Light-receiving surface side surface of a solid-state image sensor pixel part 5 ... Transparent planarization layer 6 ... Colored transparent pixel Pattern 9 ... Irradiation light 10 ... Photomask 11 ... Light shielding part 12 ... Light transmission part 20 ... Photomask (with density gradation)
21 ... Light-shielding part with density gradation 22 ... Light transmission part 40 ... Transparent resin layer (photosensitive)
42 ... Photoresist layer 43 ... Photoresist pattern 44 ... Microlens pattern for transfer (lens mold)
46 ... Transparent resin layer (non-photosensitive)
51... Second transparent planarization layer 71, 72... Micro lens 73... First photo mask pattern (for micro lens corresponding to green pixel)
74 ... pattern of the second photomask (for micro lenses corresponding to red and blue pixels)
75 ... 1st pattern of photomask (for micro lens for green pixels)
76 ... Second pattern of photomask (for microlenses corresponding to red and blue pixels)
77, 78 ... Micro lens
Claims (5)
マイクロレンズを着色透明画素パターン毎に独立分離させ、かつ、隣接するマイクロレンズとのギャップを小さく形成するため、
２×２の着色透明画素を組の単位としたＢａｙｅｒ配列の
一方の対角方向の着色透明画素パターンに対応するマイクロレンズＡ用のパターンが前記一方の対角方向の着色透明画素パターンに内接する八角形形状の第一のパターンと、
他方の対角方向の着色透明画素パターンに対応するマイクロレンズＢ用のパターンが前記他方の対角方向の着色透明画素パターンに内包される四角形形状の第二のパターンが、
同一の有効面上に繰り返し配置されることを特徴とするマイクロレンズ用フォトマスク。 A photomask for forming a plurality of one by one microlens on each of wearing color transparent pixel pattern of one-to-one correspondence with the photoelectric conversion device set girder rectangular,
In order to separate the microlens independently for each colored transparent pixel pattern and to form a small gap with the adjacent microlens,
The pattern for the microlens A corresponding to the colored transparent pixel pattern in one diagonal direction of the Bayer array having 2 × 2 colored transparent pixels as a set unit is the colored transparent pixel in the one diagonal direction. A first octagonal pattern inscribed in the pattern;
The second pattern square shape pattern for microlenses B corresponding to the colored transparent pixel pattern in the other diagonal direction are contained in the colored transparent pixel pattern of the other diagonal direction,
Photomask microlenses, characterized in that it is placed repeatedly on the same effective surface.
マイクロレンズに加工すべき透明樹脂層を所定の平面上に形成する工程と、
感光性樹脂からなるフォトレジスト層を該透明樹脂層上に形成する工程と、
フォトマスクを用いてフォトリソグラフィー法によりフォトレジスト層をパターニングする工程と、
フォトレジストパターンを熱溶融して、凸面形状の転写用マイクロレンズパターンとする工程と、
前記透明樹脂層上の転写用マイクロレンズパターンをエッチングレジストとして前記透明樹脂層にエッチング転写する工程と、を順に行うカラー固体撮像素子の製造方法であって、
前記フォトマスクが、請求項１、２のいずれかに記載のマイクロレンズ用フォトマスクであることを特徴とするカラー固体撮像素子の製造方法。 Corresponding to each of the multiple photoelectric conversion elements, the step of forming the after forming the colored transparent pixel pattern arranged a plurality of colors regularly to form a checkered pattern, one by one microlens on the colored transparent pixel pattern But,
Forming a transparent resin layer to be processed into a micro lens on a predetermined plane,
The photoresist layer composed of a photosensitive resin forming the transparent resin layer,
A step of patterning the photoresist layer by photolithography using a full Otomasuku,
The photoresist pattern is thermally melted, and a step of a microlens pattern transfer of convex,
And a step of etching and transferring the microlens pattern for transfer on the transparent resin layer to the transparent resin layer as an etching resist , in order ,
A method for manufacturing a color solid-state imaging device, wherein the photomask is the photomask for microlenses according to claim 1 .
マイクロレンズに加工すべき感光性の透明樹脂層を所定の平面上に形成する工程と、
フォトマスクを用いるフォトリソグラフィー法により前記感光性の透明樹脂層をパターニングして、凸面形状のマイクロレンズパターンを形成する工程と、を順に行うカラー固体撮像素子の製造方法であって、
前記フォトマスクが、請求項３に記載のマイクロレンズ用フォトマスクであることを特徴とするカラー固体撮像素子の製造方法。 Corresponding to each of the multiple photoelectric conversion elements, the step of forming the after forming the colored transparent pixel pattern arranged a plurality of colors regularly to form a checkered pattern, one by one microlens on the colored transparent pixel pattern But,
Forming a photosensitive transparent resin layer to be processed into a micro lens on a predetermined plane,
By patterning the transparent resin layer of the photosensitive by the photolithography method using a photomask, a method for producing a color solid-state imaging device performing the steps of forming a microlens pattern of convex shape, in sequence,
The method for manufacturing a color solid-state imaging device, wherein the photomask is the photomask for microlenses according to claim 3 .
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