JP6631004B2 - カラー固体撮像素子、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
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。
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が特許文献3に提案されており、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が特許文献4で提案されている。
本発明は、これらの問題点に鑑みて提案するものであり、カラー固体撮像素子に設けるマイクロレンズを着色透明材料の色ごとに適正な膜厚に、安価な製造方法によって形成する製造手段を提供することを目的とする。
また、本発明の一態様のカラー固体撮像素子の製造方法は、マイクロレンズを構成すべき感光性の透明樹脂層を、前記カラーフィルタ上に形成し、前記の本発明の一態様のマイクロレンズ用のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィー法により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を備えることを特徴とする。
ここで、マイクロレンズを着色透明画素(カラーフィルタ)上に直接形成した場合、平坦化処理が不要になり製造工程が削減できること、マイクロレンズ形成工程で使用する材料や製造条件の大きな変更が無いことから安価に高品質なカラー固体撮像素子を提供できる。
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、レンズ形状を直接形成するフローレンズタイプやレンズ母型からのエッチング転写タイプがあり、本発明においてはいずれの方法も選択できる。エッチング工程が不要であることからフローレンズタイプのマイクロレンズ製造が望ましいが、パターンサイズやマイクロレンズ形状によって製造方法を選択する。
図2(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を形成するカラーフィルタ7を、光電変換素子3に対応させて複数設け、そのカラーフィルタ7の上に、マイクロレンズを構成すべき透明樹脂層8を均一に塗布形成した状態を示す。
図3(b)に示す濃度階調を設けたフォトマスクを用いた場合、濃度階調付き遮光部11のパターンの領域内は、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パターンとする。濃度階調を適切に制御することによって、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に追従した膜厚を再現し、現像後に凸面形状の曲面を得ることができる。
これは、画素色ごとにレンズ高さが高すぎると集光位置が高くなるため受光素子への集光性能が低下し、レンズ高さが低くすぎると集光位置が低くなり受光素子への集光性能が低下することに由来する。
この膜厚制御は、マイクロレンズを形成するため画素パターンに濃度階調を設けたフォトマスクを用いて、フォトマスクにおける透過率が最も低い遮光領域を画素色ごとに適正化することによって行う。画素色ごとの透過率は、適用される感光性を備える透明樹脂の露光感度特性に応じて設定される。
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断面模式図であって、前述の図2(a)に類似した構成であり、カラーフィルタ7上には非感光性の透明樹脂層18を積層する。透明樹脂層18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に均一に塗布する。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する。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18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。
前記マイクロレンズ母型を形成するためのマスクパターンは、図4での説明と同様に、着色透明画素の色ごとに適正な濃度階調を設けることが望ましい。これによって同一露光条件で色ごとに適正なレンズ高さ、レンズ形状にマイクロレンズ母型を形成できる。
上述の転写タイプのマイクロレンズ6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19から得られるレンズ母型20を用いて、高精度に着色透明画素の色ごとに適正なレンズ高さ、レンズ形状にマイクロレンズを形成できる。
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・・・・カラーフィルタ(着色透明画素パターン)
8・・・・透明樹脂層(感光性)
9・・・・照射光
10・・・フォトマスク(濃度階調付き)
11・・・濃度階調付き遮光部
12・・・現像処理直後のマイクロレンズ
13・・・フォトマスク(2値化)
14・・・遮光部
15・・・光透過部
16・・・濃度階調を設けたマスクパターンの遮光領域
17・・・濃度階調を設けたマスクパターンの光透過領域
18・・・透明樹脂層(非感光性)
19・・・フォトレジスト層
20・・・転写用マイクロレンズパターン(レンズ母型)
51・・・第二の透明平坦化層
111・・青色透明画素上にマイクロレンズを形成するため濃度階調を設けたマスクパターン
112・・緑色透明画素上にマイクロレンズを形成するため濃度階調を設けたマスクパターン
Claims (4)
- 表面が多数の画素に区画され、これら画素のそれぞれ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、を備えるカラー固体撮像素子において、
前記半導体基板と前記マイクロレンズの列との間に、予め設定した着色透明画素パターンのカラーフィルタが配置され、
前記カラーフィルタと前記マイクロレンズの列との間に、前記マイクロレンズと同一素材からなる透明樹脂層が配置され、
前記マイクロレンズは、熱リフロー性を備えた素材で形成され、
前記透明樹脂層は、前記カラーフィルタの前記マイクロレンズ側の面に形成され、
前記着色透明画素パターンの色に応じて、マイクロレンズ高さ及びマイクロレンズ形状の少なくとも一方を変更したことを特徴とするカラー固体撮像素子。 - 前記着色透明画素パターンとして、少なくとも緑色画素パターン、青色画素パターン、および赤色画素パターンを有し、前記緑色画素パターン上に形成されるマイクロレンズ高さに対する、前記青色画素パターンおよび赤色画素パターン上に形成されるマイクロレンズ高さの比が、1.0:0.5〜1.0:1.5の範囲(ただし、1.0:1.0を除く)となっていることを特徴とする請求項1に記載のカラー固体撮像素子。
- 請求項1又は請求項2に記載のカラー固体撮像素子を製造する方法であって、
複数の光電変換素子の各々に対応して複数色を規則的に配置した着色透明画素パターンのカラーフィルタを設けた後、カラーフィルタの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を備え、
前記マイクロレンズを形成する工程は、マイクロレンズを構成すべき感光性の透明樹脂層を、前記カラーフィルタ上に形成し、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー法により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からなることを特徴とするカラー固体撮像素子の製造方法。 - 請求項1又は請求項2に記載のカラー固体撮像素子を製造する方法であって、
複数の光電変換素子の各々に対応して複数色を規則的に配置した着色透明画素パターンのカラーフィルタを設けた後、カラーフィルタの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を備え、
前記マイクロレンズを形成する工程は、マイクロレンズを構成すべき感光性の透明樹脂層を、前記カラーフィルタ上に直接形成し、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー法により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からなることを特徴とするカラー固体撮像素子の製造方法。
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