JP6035744B2 - Solid-state image sensor - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像素子の集光に用いるマイクロレンズに関する。   The present invention relates to a microlens used for condensing a 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(ラインセンサ)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(面センサ)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。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。
光電変換素子を微細化した場合、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、光を取り込む面積が小さくなるため、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。このため、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。
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. Also, there are two types of arrangements 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. 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.
When the photoelectric conversion element is miniaturized, the area of each photoelectric conversion element is reduced, and the area ratio that can be used as a light receiving portion is also reduced. And the effective sensitivity decreases. For this reason, one of the important issues in the performance required for the solid-state imaging device is to improve the sensitivity to incident light.

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形成する技術が提案されている。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。
図3は、着色透明樹脂層からなるカラーフィルタ画素上に1画素毎に1個の無色透明なマイクロレンズを設けて集光し、色分解した光を光電変換素子の受光部に導くカラー化した固体撮像素子の構造例を説明するための模式断面図である。
カラー化した固体撮像素子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8を光電変換素子3のそれぞれ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8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6を着色透明画素パターン8および光電変換素子3に対応させて設けることにより、感度の向上を図ることができる。また、着色透明画素パターンとマイクロレンズとの位置関係を最適化することにより、撮像時の感度バラツキを低減する構造も提案されている(特許文献1参照)。
As a means to prevent the sensitivity of the miniaturized solid-state imaging device from being lowered, in order to efficiently capture light into the light receiving portion of the photoelectric conversion device, the light incident from the object is condensed and received by the photoelectric conversion device. A technique for forming a microlens leading to a portion on a photoelectric conversion element has been proposed. 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.
FIG. 3 shows a colorization method in which one colorless and transparent microlens is provided for each pixel on a color filter pixel made of a colored transparent resin layer to collect light, and the color-separated light is guided to a light receiving portion of a photoelectric conversion element. It is a schematic cross section for demonstrating the structural example of a solid-state image sensor.
The colored solid-state imaging device 1 is disposed on a light-receiving surface side surface 4 of a solid-state imaging device pixel portion in which a plurality of photoelectric conversion elements 3 regularly provided on a semiconductor substrate 2 are arranged in a plane via a transparent flattening layer 5. A plurality of colored transparent pixel patterns 8 in which a plurality of colors are repeatedly arranged are provided so as to correspond to each of the photoelectric conversion elements 3, and flattening on a plane in which the colored transparent pixel patterns 8 are arranged by the second transparent flattening layer 51 is performed. After performing, the above-described microlens 6 is provided in correspondence with the colored transparent pixel pattern 8 and the photoelectric conversion element 3, whereby the sensitivity can be improved. In addition, a structure has been proposed that reduces the sensitivity variation during imaging by optimizing the positional relationship between the colored transparent pixel pattern and the microlens (see Patent Document 1).

上述のマイクロレンズを形成する方法として、種々の提案がなされているが、感光性樹脂の熱溶融を伴う変形を利用する方法が主である。
例えば、マイクロレンズの素材となる透明樹脂に感光性を付与して均一に塗布し、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(特許文献2参照)や、マイクロレンズの素材となる透明樹脂の平坦層の上に、アルカリ可溶性と感光性と熱リ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透明樹脂層に転写する転写タイプ(特許文献3参照)がある。
Various proposals have been made as a method for forming the above-described microlens, and a method utilizing deformation accompanying thermal melting of a photosensitive resin is mainly used.
For example, a flow lens type that applies photosensitivity to a transparent resin that is the material of a microlens, uniformly coats it, selectively forms a pattern by photolithography, and then uses the thermal reflow properties of the material to create a lens shape (See Patent Document 2) and a lens matrix by a photolithographic method and thermal reflow using a resist material having alkali solubility, photosensitivity, and thermal reflow on a flat layer of a transparent resin as a microlens material. There is a transfer type that forms and transfers the shape of the lens matrix to a transparent resin layer by dry etching (see Patent Document 3).

特開平8−316445号公報JP-A-8-316445 特開2008−34509号公報JP 2008-34509 A 特開2009−152315号公報JP 2009-152315 A

前述のように、微細化した固体撮像素子において、マイクロレンズの集光により感度の向上を図る一方で、最近のデジタル一眼レフカメラに使用される固体撮像素子のように、画素サイズを5〜10μm□程度と比較的大きくして、速いシャッタースピードに対応可能とする高感度化を図ることができる。後者の場合は、一層の高感度化を目的としているため、大型の画素を有する固体撮像素子といえども、微細化した固体撮像素子に設ける場合と同様にマイクロレンズを設けて、集光による更なる感度の向上を狙うことができる。   As described above, in the miniaturized solid-state imaging device, the sensitivity is improved by condensing the microlens, while the pixel size is 5 to 10 μm like the solid-state imaging device used in recent digital single-lens reflex cameras. The sensitivity can be increased by making it relatively large, such as □, so that it can cope with a fast shutter speed. In the latter case, since the purpose is to further increase the sensitivity, even a solid-state image pickup device having a large pixel is provided with a microlens in the same manner as in the case of a miniaturized solid-state image pickup device. The improvement of sensitivity can be aimed at.

図4は、固体撮像素子の画素サイズが異なる場合のマイクロレンズによる望ましい集光の差異を説明するための模式断面図であって、(a)は、微細化した画素の場合、(b)は、大型画素の場合を示す。いずれの場合も、マイクロレンズ61、62を設ける平面Mから光電変換素子31、32の受光面Jまでの距離a1、a2は、同程度である。できるだけ多くの光を受光面に集光するには、微細化した画素上に設けるマイクロレンズ61のレンズ高さh1に較べて、大型画素上に設けるマイクロレンズ62はレンズ高さh2を高くする必要がある。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a desirable light collection difference by the microlens when the pixel sizes of the solid-state imaging devices are different. FIG. 4A is a miniaturized pixel, and FIG. The case of a large pixel is shown. In any case, the distances a1 and a2 from the plane M on which the microlenses 61 and 62 are provided to the light receiving surfaces J of the photoelectric conversion elements 31 and 32 are approximately the same. In order to collect as much light as possible on the light receiving surface, the lens height h2 of the microlens 62 provided on the large pixel needs to be higher than the lens height h1 of the microlens 61 provided on the miniaturized pixel. There is.

上述の大型画素上のマイクロレンズを、広いレンズエリアで大きい凸面形状を作ってレンズ高さを高くするには、材料の粘度や熱リフロー性等の加工上の性質や製造工程条件等の最適化が必要になり、容易には達成できない。しかも、レンズ高さの高いマイクロレンズでは、熱リフローにおいて融着により隣接レンズとの独立性を保ち難くする問題や、ドライエッチング法によりレンズ母型の形状を転写する際のエッチングに長時間を要するという問題がある。上記の問題によりレンズ高さが低くなってしまうと、マイクロレンズにより集光できる率が減少するため、感度向上にあまり寄与しなくなる。また、マイクロレンズの材料の屈折率を高くできれば、曲率が小さくレンズ高さの低い偏平な形状であっても受光面への集光性は向上するが、屈折率の変更には、材料の変更が必要となり、更なる困難が伴う。さらに、マイクロレンズ62を設ける平面Mから光電変換素子32の受光面Jまでの距離a2をa1より長く設計すれば、集光距離を長く取れるので、従来の材料と工程条件を大きく変えずに光電変換素子の受光面に集光できるものの、マイクロレンズから受光面までの間の中間層を厚く形成するための製造工程上の課題が発生する他、中間層に吸収される光を増やすことになり、本質的に固体撮像素子の感度向上に逆行するなどの問題点を伴う。   In order to increase the lens height by creating a large convex shape with a wide lens area, the microlenses on the large pixels described above are optimized for processing properties such as material viscosity and thermal reflow properties, and manufacturing process conditions. Is required and cannot be easily achieved. Moreover, in the case of a microlens with a high lens height, it is difficult to maintain independence from adjacent lenses by fusing in thermal reflow, and it takes a long time to etch the shape of the lens matrix by dry etching. There is a problem. If the lens height is lowered due to the above problem, the rate of light condensing by the microlens is reduced, so that it does not contribute much to the sensitivity improvement. Also, if the refractive index of the microlens material can be increased, the light condensing performance is improved even with a flat shape with a small curvature and a low lens height. Is necessary and is accompanied by further difficulties. Furthermore, if the distance a2 from the plane M on which the microlens 62 is provided to the light receiving surface J of the photoelectric conversion element 32 is designed to be longer than a1, the condensing distance can be increased, so that the photoelectric material can be obtained without greatly changing the conventional materials and process conditions. Although the light can be condensed on the light receiving surface of the conversion element, there are problems in the manufacturing process for forming a thick intermediate layer between the microlens and the light receiving surface, and more light is absorbed in the intermediate layer. Inherently, there is a problem such as reversing the sensitivity improvement of the solid-state imaging device.

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、大型の画素を有する固体撮像素子において、マイクロレンズにより感度向上を図る場合に、マイクロレンズの材料や製造工程条件を大きく変更することなく、微細画素を有する固体撮像素子の場合と同程度の集光距離に集光させて高感度化した固体撮像素子を提供することである。   The present invention is proposed in view of the above-described problems, and the problem to be solved by the present invention is that in a solid-state imaging device having a large pixel, when the sensitivity is improved by a microlens, An object is to provide a solid-state image sensor that is highly sensitive by condensing light at a condensing distance similar to that in the case of a solid-state image sensor having fine pixels without greatly changing materials and manufacturing process conditions.

上記の課題を解決するための手段として、請求項に記載の発明は、表面が多数の画素に区画され、これら画素のそれぞれに1つの光電変換素子が配置された半導体基板と、この半導体基板の上に配置され、入射光を光電変換素子のそれぞれに集光させるマイクロレンズとを備える固体撮像素子において、複数の正六角形を稠密に集合した多角形の輪郭を有する画素に対して、1画素上に配列される複数のマイクロレンズが正六角形であり、かつ、2つの方向に稠密に並べたことを特徴とする固体撮像素子である。 As means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 is directed to a semiconductor substrate in which the surface is partitioned into a large number of pixels, and one photoelectric conversion element is disposed in each of the pixels, and the semiconductor substrate. 1 pixel with respect to a pixel having a polygonal outline in which a plurality of regular hexagons are densely gathered in a solid-state imaging device including a microlens that is arranged on the photoelectric conversion element and collects incident light on each of the photoelectric conversion elements The solid-state imaging device is characterized in that the plurality of microlenses arranged on the top are regular hexagons and are arranged densely in two directions.

本発明は、各画素に光電変換素子が配置された半導体基板と、この半導体基板の上に配置され、入射光を光電変換素子のそれぞれに集光させるマイクロレンズとを備える、大型の画素を有する固体撮像素子において、1画素上の同一平面内に複数のマイクロレンズを稠密に設けるので、マイクロレンズの材料や製造工程条件を大きく変更することなく、微細画素を有する固体撮像素子の場合と同程度の集光距離に多くの光を集光させることができ、高感度化した固体撮像素子を容易に提供することができる。   The present invention has a large pixel including a semiconductor substrate in which a photoelectric conversion element is disposed in each pixel, and a microlens disposed on the semiconductor substrate to collect incident light on each of the photoelectric conversion elements. In a solid-state imaging device, a plurality of microlenses are densely provided in the same plane on one pixel, so that it is the same level as that of a solid-state imaging device having fine pixels without greatly changing the material and manufacturing process conditions of the microlens. A large amount of light can be condensed at a condensing distance, and a highly sensitive solid-state imaging device can be easily provided.

本発明の固体撮像素子における一画素上のマイクロレンズの配置例を説明するための模式平面図であって、(a)は、同一形状からなる一例、(b)は、異なる形状からなる他の一例である。It is a schematic plan view for demonstrating the example of arrangement | positioning of the micro lens on one pixel in the solid-state image sensor of this invention, (a) is an example which consists of the same shape, (b) is another which consists of a different shape. It is an example. 本発明の固体撮像素子において、一画素内の集光状態の一例を説明するための模式断面図である。In the solid-state image sensor of this invention, it is a schematic cross section for demonstrating an example of the condensing state in one pixel. マイクロレンズを用いるカラー化した固体撮像素子の従来の構造例を説明するための模式断面図である。It is a schematic cross section for demonstrating the conventional structural example of the color-ized solid-state image sensor using a microlens. 固体撮像素子の画素サイズが異なる場合のマイクロレンズによる望ましい集光の差異を説明するための模式断面図であって、(a)は、微細化した画素の場合、(b)は、大型画素の場合を示す。It is a schematic cross section for demonstrating the difference of the desirable condensing by a microlens in case the pixel size of a solid-state image sensor differs, Comprising: (a) is a miniaturized pixel, (b) is a large pixel. Show the case. 本発明の固体撮像素子の画素形状を変えた他の一例を説明するための模式平面図である。It is a schematic plan view for demonstrating another example which changed the pixel shape of the solid-state image sensor of this invention. 本発明の固体撮像素子の製造におけるマイクロレンズ用フォトマスクの例を説明するための模式平面図であって、(a)は、通常の2値化フォトマスクの場合、(b)は、濃度階調を設けたフォトマスクの場合を示す。It is a schematic plan view for demonstrating the example of the photomask for microlenses in manufacture of the solid-state image sensor of this invention, Comprising: (a) is a normal binarization photomask, (b) is a density | concentration scale. The case of a photomask with a tone is shown. 本発明の固体撮像素子の第一の製造方法を説明するための模式断面図であって、(a)〜(d)の工程順に示す。It is a schematic cross section for demonstrating the 1st manufacturing method of the solid-state image sensor of this invention, Comprising: It shows in order of the process of (a)-(d). 本発明の固体撮像素子の第二の製造方法を説明するための模式断面図であって、(a)〜(e)の工程順に示す。It is a schematic cross section for demonstrating the 2nd manufacturing method of the solid-state image sensor of this invention, Comprising: It shows in order of the process of (a)-(e). 本発明の固体撮像素子の第三の製造方法を説明するための模式断面図であって、(a)〜(c)の工程順に示す。It is a schematic cross section for demonstrating the 3rd manufacturing method of the solid-state image sensor of this invention, Comprising: It shows in order of the process of (a)-(c). 本発明の固体撮像素子の第四の製造方法を説明するための模式断面図であって、(a)〜(d)の工程順に示す。It is a schematic cross section for demonstrating the 4th manufacturing method of the solid-state image sensor of this invention, Comprising: It shows in order of the process of (a)-(d).

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、本発明の固体撮像素子における一画素上のマイクロレンズの配置例を説明するための模式平面図であって、(a)は、同一形状からなる一例、(b)は、異なる形状からなる他の一例である。図1(a)において、凸面形状を有するマイクロレンズ63を、画像入力の最小単位となる1画素上の同一平面内に、隣接して4つ設ける例を示す。各々のマイクロレンズは、隅の丸まった形状ではあるが、平面視で概ね矩形状の同一形状であり、隣接するマイクロレンズとの独立を損なわない程度に稠密に配置される。マイクロレンズの製造工程による差異は生じるが、マイクロレンズ間の隙間7を完全に無くすることは難しい。しかしながら、1画素上に1個の大型のマイクロレンズを設けた固体撮像素子と較べると、1画素上に複数の小型のマイクロレンズを稠密に設けた固体撮像素子の方が、マイクロレンズの材料や製造工程条件を大きく変更することなく、微細画素を有する固体撮像素子の場合と同程度の集光距離に多くの光を集光させることができ、高感度化した固体撮像素子を容易に提供できる。
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 arrangement example of microlenses on one pixel in a solid-state imaging device of the present invention, where (a) is an example having the same shape, and (b) is a different shape. It is another example which consists of. FIG. 1A shows an example in which four microlenses 63 having a convex shape are provided adjacent to each other in the same plane on one pixel, which is the minimum unit of image input. Each of the microlenses has a rounded corner shape, but has a substantially rectangular shape in plan view, and is arranged densely so as not to impair independence from adjacent microlenses. Although there are differences depending on the manufacturing process of the microlens, it is difficult to completely eliminate the gap 7 between the microlenses. However, compared with a solid-state imaging device in which one large microlens is provided on one pixel, a solid-state imaging device in which a plurality of small microlenses are densely provided on one pixel is more A large amount of light can be collected at the same light collection distance as in the case of a solid-state imaging device having fine pixels without greatly changing the manufacturing process conditions, and a highly sensitive solid-state imaging device can be easily provided. .

図1(b)において、凸面形状を有するマイクロレンズ64、64’、65を、画像入力の最小単位となる1画素上の同一平面内に、隣接して、異なる形状を組み合わせて配置する例を示す。マイクロレンズ64’は、マイクロレンズ64の向きを変えた配置であり、マイクロレンズ65は、マイクロレンズ64よりさらに小さい形状で可能な限り画素上の平面の隙間を埋める配置とする。各々のマイクロレンズは、隅の丸まった形状であり、隣接するマイクロレンズとの独立を損なわない程度に稠密に配置される。マイクロレンズの製造工程による差異は生じるが、マイクロレンズ間の隙間71を完全に無くすることは難しい。しかしながら、1画素上に1個の大型のマイクロレンズを設けた固体撮像素子と較べると、前記図1(a)の場合と同様に、高感度化した固体撮像素子を容易に提供できる。   In FIG. 1B, an example in which microlenses 64, 64 ′, 65 having a convex shape are arranged adjacent to each other in the same plane on one pixel, which is the minimum unit of image input, in combination with different shapes. Show. The microlens 64 ′ is an arrangement in which the direction of the microlens 64 is changed, and the microlens 65 is an arrangement that is smaller than the microlens 64 and fills a gap in a plane on the pixel as much as possible. Each microlens has a rounded corner shape and is densely arranged so as not to impair independence from adjacent microlenses. Although there are differences depending on the manufacturing process of the microlens, it is difficult to completely eliminate the gap 71 between the microlenses. However, as compared with the solid-state imaging device in which one large microlens is provided on one pixel, a highly sensitive solid-state imaging device can be easily provided as in the case of FIG.

図2は、本発明の固体撮像素子において、一画素内の集光状態の一例を説明するための模式断面図である。図は、半導体基板2の平面上にマトリクス配列される光電変換素子3の各々を画素として、1画素の範囲の断面を示す。画素上に、1つの光電変換素子3に一対一に対応して規則的に配列した複数色からなる着色透明画素パターン8の1つと、その上に設けた前記複数のマイクロレンズ63が構成され、該構成を単位として、平面マトリクス状に集合した全体を固体撮像素子とする。着色透明画素パターン8の下面に透明平坦化層5を設け、着色透明画素パターン8の上面に第二の透明平坦化層51を設けることができることは、従来と同様である。
図2において、1画素に設けた複数のマイクロレンズ63の上方から入るブロック矢印で示す入射光91は、それぞれのマイクロレンズを通る際に、実線矢印で示すように屈折光92として、光電変換素子3の受光面のそれぞれ所定の位置に集光する。光電変換素子3の受光面は、図で示した1画素のピッチ幅の全長に有効に設けるものではないが、従来の1画素に一つのマイクロレンズを用いる構成の場合より、広い領域に設ける方が複数の集光点をカバーし易いので、本発明の効果を大きくできる。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a condensing state in one pixel in the solid-state imaging device of the present invention. The figure shows a cross section of a range of one pixel with each of the photoelectric conversion elements 3 arranged in a matrix on the plane of the semiconductor substrate 2 as a pixel. On the pixel, one colored transparent pixel pattern 8 composed of a plurality of colors regularly arranged in one-to-one correspondence with one photoelectric conversion element 3 and the plurality of microlenses 63 provided thereon are configured. The whole assembly in a planar matrix form with this configuration as a unit is a solid-state imaging device. The transparent flattening layer 5 can be provided on the lower surface of the colored transparent pixel pattern 8 and the second transparent flattening layer 51 can be provided on the upper surface of the colored transparent pixel pattern 8 as in the conventional case.
In FIG. 2, incident light 91 indicated by block arrows entering from above a plurality of microlenses 63 provided in one pixel is converted into a refracted light 92 as indicated by solid arrows when passing through each microlens. Each of the three light receiving surfaces is condensed at a predetermined position. The light receiving surface of the photoelectric conversion element 3 is not effectively provided over the entire length of the pitch width of one pixel shown in the figure, but it is provided in a wider area than the conventional configuration using one microlens for one pixel. However, since it is easy to cover a plurality of condensing points, the effect of the present invention can be increased.

図5は、本発明の固体撮像素子の画素形状を変えた他の一例を説明するための模式平面図である。例えば、固体撮像素子の1画素が、複数の正六角形を稠密に集合した輪郭を有する画素形状35とすれば、本例では、平面視で概ね正六角形状のマイクロレンズ60を1画素上に4つ稠密に配列することができる。前述の図1で説明したように、平面視で概ね矩形状のマイクロレンズは、隅の丸まった形状であり、マイクロレンズ間の隙間が一定程度生じる。これに対して、本例のように、平面視で概ね正六角形状のマイクロレンズを配列する方が、各頂点の角度が鈍角であるため、隅の丸みに起因するマイクロレンズ間の隙間はかなり小さくでき、結果として、マイクロレンズ間の隙間72を小さくできる。また、正六角形の集合した輪郭を有する画素形状35は、図のように平面内の縦方向と横方向とに一定のピッチで繰り返し配列でき、対応して設ける着色透明画素パターンも同形状で同位置に対応させて形成することができる。   FIG. 5 is a schematic plan view for explaining another example in which the pixel shape of the solid-state imaging device of the present invention is changed. For example, if one pixel of the solid-state imaging device has a pixel shape 35 having a contour in which a plurality of regular hexagons are densely gathered, in this example, four substantially regular hexagonal microlenses 60 are arranged on one pixel in plan view. Can be arranged densely. As described above with reference to FIG. 1, the microlens having a generally rectangular shape in plan view has a rounded corner, and a certain gap is generated between the microlenses. On the other hand, as shown in this example, when the regular hexagonal microlenses are arranged in plan view, the angle between the vertices is obtuse, so the gap between the microlenses due to the roundness of the corners is considerably larger. As a result, the gap 72 between the microlenses can be reduced. Further, as shown in the figure, the pixel shape 35 having a regular hexagonal gathered outline can be repeatedly arranged at a constant pitch in the vertical direction and the horizontal direction in the plane, and the corresponding colored transparent pixel patterns are also provided with the same shape. It can be formed corresponding to the position.

上述の各種の例で説明した固体撮像素子用のマイクロレンズは、1画素上に設ける複数のマイクロレンズが、同一の透明樹脂からなり、それぞれのマイクロレンズが同一平面への集光性の高い凸面形状を有することが望ましい。例えば、マイクロレンズの素材とする透明樹脂層として、アクリル系の透明樹脂材料を用いることができる。後述のように、マイクロレンズの製造工程により、素材に用いる透明樹脂材料に感光性を与えるか、非感光性として用いるかを選択する。   In the microlens for the solid-state imaging device described in the various examples described above, a plurality of microlenses provided on one pixel are made of the same transparent resin, and each microlens is a convex surface having a high light collecting property on the same plane. It is desirable to have a shape. For example, an acrylic transparent resin material can be used as the transparent resin layer used as a microlens material. As will be described later, whether the transparent resin material used for the raw material is given photosensitivity or non-photosensitive is selected according to the microlens manufacturing process.

以下、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるマイクロレンズの製造工程について説明する。
図7は、本発明の固体撮像素子の第一の製造方法、すなわちマイクロレンズ工程がフローレンズタイプの製造工程を有する例、を説明するための模式断面図であって、(a)〜(d)の工程順に示す。
図7(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断面模式図であって、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8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8を配列した平面上の平坦化を行った後に、マイクロレンズを構成すべき透明樹脂層40を均一に塗布形成した状態を表す。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と熱リフロー性を付与し、スピンコーターを用いて乾燥時の膜厚0.5〜0.8μm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。
Hereinafter, the manufacturing process of the microlens in the manufacturing method of the solid-state image sensor of this invention is demonstrated.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining a first manufacturing method of the solid-state imaging device of the present invention, that is, an example in which the microlens process includes a flow lens type manufacturing process. ).
FIG. 7A is a schematic cross-sectional view before providing a microlens for a color solid-state imaging device, and is a solid-state imaging 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 8 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 on which the colored transparent pixel patterns 8 are arranged by 51, the transparent resin layer 40 that should constitute the microlens is uniformly applied and formed. As the transparent resin layer 40, alkali-soluble, photosensitive and thermal reflow properties are imparted to an acrylic transparent resin material, and the film can be uniformly applied to a film thickness of 0.5 to 0.8 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7(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。以下、ポジ型の感光性材料を用いる例で説明する。ポジ型の感光性透明樹脂層40に対して、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、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。   Next, as shown in FIG. 7B, the photosensitive transparent resin layer 40 is patterned by a photolithography method in the exposure process. Hereinafter, an example using a positive photosensitive material will be described. The positive-type photosensitive transparent resin layer 40 is provided with a pattern of the light-shielding portion 11 corresponding to the region to be left, and the other is preliminarily patterned with the light-transmitting portion 12 as a photomask 10. For example, exposure can be performed by irradiating parallel irradiation light 9 from an i-line stepper using light having a wavelength of 365 nm from a mercury lamp light source from the back surface of the photomask 10. 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7(c)に示すように、透明樹脂パターン41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、透明樹脂層40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に対応する透明樹脂パターン41を残して、他の部分を溶解除去する。   Next, a developing process is performed to form a transparent resin pattern 41 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 be uniformly advanced by a spin development or paddle development method, and the other parts are dissolved and removed, leaving the transparent resin pattern 41 corresponding to the light shielding part 11 of the photomask 10.

次に、図7(d)に示すように、透明樹脂パターン41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、マイクロレンズ66を形成する。このように、フローレンズタイプのマイクロレンズ66は、マイクロレンズの素材となる透明樹脂の感光性と熱リフロー性とを利用して、比較的短い工程で形成することができる。しかも、本発明のマイクロレンズは、大型の画素を有する固体撮像素子に用いるマイクロレンズでありながら、1画素上に複数の小型のマイクロレンズを稠密に設けるので、レンズ高さを大きくする必要がなく、本例のマイクロレンズの製造方法により、適正な製造条件を用いて、高感度化した固体撮像素子を容易に提供することができる。   Next, as shown in FIG. 7D, the microlens 66 is formed by molding the transparent resin pattern 41 by thermal melting using the thermal reflow property of the material. As described above, the flow lens type microlens 66 can be formed in a relatively short process by using the photosensitivity and thermal reflow property of the transparent resin that is the material of the microlens. Moreover, although the microlens of the present invention is a microlens used for a solid-state imaging device having a large pixel, a plurality of small microlenses are densely provided on one pixel, so there is no need to increase the lens height. According to the microlens manufacturing method of this example, it is possible to easily provide a high-sensitivity solid-state imaging device using appropriate manufacturing conditions.

図8は、本発明の固体撮像素子の第二の製造方法、すなわちマイクロレンズ工程がエッチング転写タイプの製造工程を有する例、を説明するための模式断面図であって、(a)〜(e)の工程順に示す。
図8(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断面模式図であって、前述の図7(a)に類似した構成であるが、図の最上層として、感光性を付与した透明樹脂層40ではなく、非感光性の透明樹脂層46を積層する。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0.5〜0.8μm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想定するため、ドライエッチング適性の優れた材料が望ましい。
さらに、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. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining a second manufacturing method of the solid-state imaging device of the present invention, that is, an example in which the microlens process has an etching transfer type manufacturing process. ).
FIG. 8A is a schematic cross-sectional view before providing a micro lens for a color solid-state image sensor, and has a configuration similar to that of FIG. 7A described above, but imparts photosensitivity as the uppermost layer in the figure. Instead of the transparent resin layer 40, a non-photosensitive transparent resin layer 46 is laminated. The transparent resin layer 46 can uniformly apply an acrylic transparent resin material to a film thickness of 0.5 to 0.8 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 for this example assumes the transcription | transfer by the dry etching mentioned later, the material excellent in dry etching aptitude is desirable.
Furthermore, another transparent resin layer having a different etching rate can 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0.5〜0.8μmに均一に塗布できる。乾燥は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8(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露光できる。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 0.5 to 0.8 μm using a spin coater. Drying is performed at a low temperature of 100 ° C. or lower.
Next, the substrate on which the photoresist layer 42 is formed is patterned by a photolithography method. In the exposure step, as shown in FIG. 8B, a pattern of the light-shielding portion 11 is provided corresponding to the region where the positive photoresist is to be left, and the other is used as a light-transmitting portion 12 to form a photomask 10 previously patterned. The exposure can be performed by accurately aligning with the target substrate and irradiating from the back surface of the photomask 10 with parallel irradiation light 9 from an i-line stepper that uses light of wavelength 365 nm from a mercury lamp light source, for example. 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8(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 development 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8(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、レンズ母型としての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、160℃加熱後に200℃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. 8D, a convex transfer microlens pattern 44 as a lens matrix is formed by forming a photoresist pattern 43 by thermal melting using the thermal reflow property of the material. Is formed on the transparent resin layer 46. For the thermal melting in this process, a hemispherical shape regulated by the surface tension at the time of material melting is good by a step baking method in which a high temperature heating at 200 ° C. is performed after heating at 160 ° C. using a hot plate device. Can be 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8(e)に示すように、マイクロレンズ67を形成する。エッチング処理の方法としては、C等のフッ素系ガスによるドライエッチングを行うことができる。
ドライエッチングにより転写されるマイクロレンズ67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67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り種々の影響を受けて変化するので、個々のケースにより条件を調整する。
Next, the transfer microlens pattern 44 formed on the transparent resin layer 46 is etched and transferred to the transparent resin layer 46 as an etching resist to form a microlens 67 as shown in FIG. 8 (e). As an etching method, dry etching using a fluorine-based gas such as C 3 F 8 can be performed.
The cross-sectional shape of the microlens 67 transferred by dry etching is basically faithful to the transfer microlens pattern 44 used as the lens matrix, but the photoresist layer 42 that is the material of the transfer microlens pattern 44 and The condition varies depending on the individual case because it varies with the etching rate ratio under the actual dry etching conditions and the etching depth with the transparent resin layer 46 which is the material of the microlens 67.

上述のエッチング転写タイプのマイクロレンズ67は、比較的露光感度が高くて微細パターンも高精度に形成できるフォトレジスト層42から得られるレンズ母型を用いて、高精度に形成することができる。しかも、本発明のマイクロレンズは、大型の画素を有する固体撮像素子に用いるマイクロレンズでありながら、1画素上に複数の小型のマイクロレンズを稠密に設けるので、レンズ高さを大きくする必要がなく、本例の製造方法を用いて、レンズ高さを大きくする従来の例に較べて、ドライエッチング時間を短くできる。従って、工程負荷の増大や品質の低下を招くことなく、高感度化した固体撮像素子を容易に提供することができる。   The above-described etching transfer type microlens 67 can be formed with high accuracy by using a lens matrix obtained from the photoresist layer 42 having relatively high exposure sensitivity and capable of forming a fine pattern with high accuracy. Moreover, although the microlens of the present invention is a microlens used for a solid-state imaging device having a large pixel, a plurality of small microlenses are densely provided on one pixel, so there is no need to increase the lens height. By using the manufacturing method of this example, the dry etching time can be shortened as compared with the conventional example in which the lens height is increased. Therefore, it is possible to easily provide a highly sensitive solid-state imaging device without causing an increase in process load or a reduction in quality.

図9は、本発明の固体撮像素子の第三の製造方法、すなわちマイクロレンズ工程がフローレンズタイプではなく、濃度階調付きフォトマスクを用いる直接形成工程を有する例、を説明するための模式断面図であって、(a)〜(c)の工程順に示す。
図9(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断面模式図であって、
前述の図7(a)に類似した構成であり、感光性を付与された透明樹脂層40を最上層に有する。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for explaining a third manufacturing method of the solid-state imaging device of the present invention, that is, an example in which the microlens process is not a flow lens type but includes a direct formation process using a photomask with density gradation. It is a figure and is shown in the order of steps (a) to (c).
FIG. 9A is a schematic cross-sectional view before providing a microlens for a color solid-state image sensor,
It has a configuration similar to that shown in FIG. 7A, and has a transparent resin layer 40 imparted with photosensitivity as the uppermost layer.

次に、露光工程を図9(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。図6は、本発明の固体撮像素子の製造におけるマイクロレンズ用フォトマスクの例を説明するための模式平面図であって、(a)は、通常の2値化フォトマスクの場合、(b)は、濃度階調を設けたフォトマスクの場合を示す。本発明の固体撮像素子の製造方法の内、前述の2例、すなわち第一の製造方法および第二の製造方法においては、図6(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、本例の第三の製造方法においては、図6(b)に示す濃度階調を設けたフォトマスクを用い、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。後述の第四の製造方法においても、同様の濃度階調を設けたフォトマスクを用いることができる。   Next, as shown in FIG. 9B, the photosensitive transparent resin layer 40 is patterned by the 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. FIG. 6 is a schematic plan view for explaining an example of a microlens photomask in the production of the solid-state imaging device of the present invention. FIG. 6A shows a case of a normal binarized photomask. Indicates the case of a photomask provided with a density gradation. Of the two methods for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, the above-described two examples, that is, the first manufacturing method and the second manufacturing method, use a normal binarized photomask shown in FIG. The area of the portion 11 was a photomask having a uniform light shielding density. On the other hand, in the third manufacturing method of this example, a photomask provided with the density gradation shown in FIG. 6B is used, and, for example, the central part of each light shielding part pattern is maximum in the area of the light shielding part 21. The light-shielding part 21 with a density gradation that has a 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. A photomask provided with the same density gradation can also be used in a fourth manufacturing method described later.

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9(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10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 process shown in FIG. 9B, 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 emitted. Exposure can be performed by irradiating parallel irradiation light 9 from the i-line stepper to be used from the back surface of the photomask 10. 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9(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68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68を残すように、他の部分を溶解除去する。   Next, a developing process is performed to form a transparent resin pattern as it is as a microlens 68 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 68 having the same.

このように、フローレンズタイプではなく、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68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、本発明のマイクロレンズは、大型の画素を有する固体撮像素子に用いるマイクロレンズでありながら、1画素上に複数の小型のマイクロレンズを稠密に設けるので、レンズ高さを大きくする必要がなく、本例のマイクロレンズの製造方法により、適正な製造条件を用いて、高感度化した固体撮像素子を容易に提供することができる。   As described above, the microlens 68 by the direct forming process using the photomask with density gradation instead of the flow lens type is formed by a relatively short process using the photosensitivity of the transparent resin that is the material of the microlens. be able to. Moreover, although the microlens of the present invention is a microlens used for a solid-state imaging device having a large pixel, a plurality of small microlenses are densely provided on one pixel, so there is no need to increase the lens height. According to the microlens manufacturing method of this example, it is possible to easily provide a high-sensitivity solid-state imaging device using appropriate manufacturing conditions.

図10は、本発明の固体撮像素子の第四の製造方法、すなわちマイクロレンズ工程が濃度階調付きフォトマスクを用いるエッチング転写タイプの製造工程を有する例、を説明するための模式断面図であって、(a)〜(d)の工程順に示す。
図10(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断面模式図であって、前述の図8(a)に類似した構成であり、図の最上層として、非感光性の透明樹脂層46を積層する。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0.5〜0.8μm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想定するため、ドライエッチング適性の優れた材料が望ましい。さらに、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. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining a fourth manufacturing method of the solid-state imaging device of the present invention, that is, an example in which the microlens process includes an etching transfer type manufacturing process using a photomask with density gradation. These are shown in the order of steps (a) to (d).
FIG. 10A is a schematic cross-sectional view before providing the microlens of the color solid-state imaging device, and has a configuration similar to that of FIG. 8A described above. A resin layer 46 is laminated. The transparent resin layer 46 can uniformly apply an acrylic transparent resin material to a film thickness of 0.5 to 0.8 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 for this example assumes the transcription | transfer by the dry etching mentioned later, the material excellent in dry etching aptitude is desirable. Furthermore, another transparent resin layer having a different etching rate can 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0.5〜0.8μmに均一に塗布できる。乾燥は100℃以下の低温で行う。
次に、露光工程を図10(b)に示すように、フォトリソグラフィー法により、フォトレジスト層42のパターニングを行う。ここで、ポジ型のフォトレジスト層42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、図9(b)に用いたものと同様に、予め準備しておく。図10(b)に示す露光工程は、フォトレジスト層42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10の背面から照射することにより露光できる。露光条件は、使用するフォトレジスト層42の膜厚、感度、また、現像液の条件等により決定する。
Next, a photoresist material 42 which is a resin having alkali solubility and photosensitivity is uniformly applied on the transparent resin layer 46 by a spin coater to form the photoresist layer 42. As the photoresist layer 42, an acrylic or novolac positive resist material can be uniformly applied to a dry film thickness of 0.5 to 0.8 μm using a spin coater. Drying is performed at a low temperature of 100 ° C. or lower.
Next, as shown in FIG. 10B, the photoresist layer 42 is patterned by photolithography. Here, a density gradation in which the pattern of the light-shielding part 21 with density gradation is provided on the positive photoresist layer 42 corresponding to the region to be left in the microlens shape, and the others are patterned as the light transmission part 22. The attached photomask 20 is prepared in advance similarly to the one used in FIG. In the exposure step shown in FIG. 10B, the photomask 20 with density gradation is accurately aligned with the position where the photoresist layer 42 is to be patterned, and, for example, light having a wavelength of 365 nm from a mercury lamp light source is emitted. Exposure can be performed by irradiating parallel irradiation light 9 from the i-line stepper to be used from the back surface of the photomask 10. The exposure conditions are determined by the film thickness and sensitivity of the photoresist layer 42 used, the developer conditions, and the like.

次に、現像工程を行って、図10(c)に示すように、フォトレジストによる転写用マイクロレンズパターン45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転写用マイクロレンズパターン45を残すように、他の部分を溶解除去する。   Next, a developing process is performed to form a transfer microlens pattern 45 using a photoresist, 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 proceeded according to the local exposure amount of the previous process, 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 that the transfer microlens pattern 45 is left.

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45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10(d)に示すように、マイクロレンズ69を形成する。エッチング処理の方法としては、C等のフッ素系ガスによるドライエッチングを行うことができる。
ドライエッチングにより転写されるマイクロレンズ69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45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45の素材となるフォトレジスト層42と、マイクロレンズ69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り種々の影響を受けて変化するので、個々のケースにより条件を調整する。
Next, the transfer microlens pattern 45 formed on the transparent resin layer 46 is etched and transferred to the transparent resin layer 46 as an etching resist to form a microlens 69 as shown in FIG. As an etching method, dry etching using a fluorine-based gas such as C 3 F 8 can be performed.
The cross-sectional shape of the microlens 69 transferred by dry etching is basically faithful to the transfer microlens pattern 45 used as the lens matrix, but the photoresist layer 42 that is the material of the transfer microlens pattern 45 and The condition varies depending on the individual case because it changes due to various influences on the etching rate ratio in the actual dry etching conditions and the etching depth with the transparent resin layer 46 that is the material of the microlens 69.

上述の転写タイプのマイクロレンズ69は、比較的露光感度が高くて微細パターンも高精度に形成できるフォトレジスト層42から得られるレンズ母型を用いて、高精度に形成することができる。しかも、本発明のマイクロレンズは、大型の画素を有する固体撮像素
子に用いるマイクロレンズでありながら、1画素上に複数の小型のマイクロレンズを稠密に設けるので、レンズ高さを大きくする必要がなく、本例の製造方法を用いて、レンズ高さを大きくする従来の例に較べて、ドライエッチング時間を短くできる。従って、工程負荷の増大や品質の低下を招くことなく、高感度化した固体撮像素子を容易に提供することができる。
The transfer-type microlens 69 described above can be formed with high accuracy using a lens matrix obtained from the photoresist layer 42 that has relatively high exposure sensitivity and can form a fine pattern with high accuracy. Moreover, although the microlens of the present invention is a microlens used for a solid-state imaging device having a large pixel, a plurality of small microlenses are densely provided on one pixel, so there is no need to increase the lens height. By using the manufacturing method of this example, the dry etching time can be shortened as compared with the conventional example in which the lens height is increased. Therefore, it is possible to easily provide a highly sensitive solid-state imaging device without causing an increase in process load or a reduction in quality.

1・・・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・・・マイクロレンズ
7・・・マイクロレンズ間の隙間
8・・・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
31、32・・・光電変換素子
35・・・画素形状(輪郭線)
40・・・透明樹脂層(感光性)
41・・・透明樹脂パターン
42・・・フォトレジスト層
43・・・フォトレジストパターン
44、45・・・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
60、61、62、63、64、64’、65、66、67、68、69・・・マイクロレンズ
71、72・・・マイクロレンズ間の隙間
91・・・入射光
92・・・屈折光
M・・・マイクロレンズを設ける平面
J・・・受光面
a1、a2・・・M−J間の距離
h1、h2・・・レンズ高さ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid-state image sensor 2 ... Semiconductor substrate 3 ... Photoelectric conversion element 4 ... Light-receiving surface side surface 5 of a solid-state image sensor pixel part ... Transparent flattening layer 6 ... Micro lens 7- .... Clearance between microlenses 8 ... Colored transparent pixel pattern 9 ... Irradiation light 10 ... Photomask 11 ... Light shielding part 12 ... Light transmission part 20 ... Photomask (density gradation) With)
21 ... Light shielding portion with density gradation 22 ... Light transmitting portions 31, 32 ... Photoelectric conversion element 35 ... Pixel shape (contour line)
40 ... Transparent resin layer (photosensitive)
41 ... Transparent resin pattern 42 ... Photoresist layer 43 ... Photoresist pattern 44, 45 ... Microlens pattern for transfer (lens matrix)
46 ... Transparent resin layer (non-photosensitive)
51 ... Second transparent flattening layer 60, 61, 62, 63, 64, 64 ', 65, 66, 67, 68, 69 ... Micro lens 71, 72 ... Gap 91 between micro lenses ... Incident light 92 ... Refracted light M ... Plane J on which microlenses are provided ... Light-receiving surfaces a1, a2 ... Distances h1, h2 between M-J ... Lens height

Claims (1)

表面が多数の画素に区画され、これら画素のそれぞれに1つの光電変換素子が配置された半導体基板と、この半導体基板の上に配置され、入射光を光電変換素子のそれぞれに集光させるマイクロレンズとを備える固体撮像素子において、
複数の正六角形を稠密に集合した多角形の輪郭を有する画素に対して、1画素上に配列される複数のマイクロレンズが正六角形であり、かつ、2つの方向に稠密に並べたことを特徴とする固体撮像素子。
A semiconductor substrate in which the surface is partitioned into a large number of pixels and one photoelectric conversion element is disposed in each of the pixels, and a microlens that is disposed on the semiconductor substrate and collects incident light on each of the photoelectric conversion elements. In a solid-state imaging device comprising:
A plurality of microlenses arranged on one pixel are regular hexagonal and densely arranged in two directions with respect to a pixel having a polygonal outline in which a plurality of regular hexagons are densely assembled. A solid-state imaging device.
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