JPWO2004006336A1 - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

二次元的に配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子のそれぞれを被覆する複数の略半球形状のマイクロレンズと、を具備する固体撮像素子である。マイクロレンズは、略半球形状の少なくとも一部を形成する透明樹脂上部層と、透明樹脂上部層の前記光電変換素子側に設けられ、当該透明樹脂上部層との界面が前記光電変換素子の表面に沿った形状、例えば平坦な形状を有する着色下部層と、を少なくとも有する多層構造となっている。

Description

本発明は、Ｃ−ＭＯＳやＣＣＤ等の受光素子に代表される固体撮像素子に関するものである。

ＣＣＤなど固体撮像素子上の光電変換素子が光電変換に寄与する領域（開口部）は、固体撮像素子のサイズや画素数に依存するが、固体撮像素子の全面積に対し２０〜４０％程度に限られてしまう。開口部が小さいことは、そのまま感度低下につながるので、これを補うため光電変換素子上に集光用のマイクロレンズを形成することが一般的である。
しかしながら、近時、３００万画素を超える高精細な固体撮像素子がつよく要求されるようになり、この高精細な固体撮像素子に付随するマイクロレンズの開口率低下（すなわち感度低下）、及びフレア、スミアなどのノイズ増加による画質低下が、大きな問題となってきている。Ｃ−ＭＯＳやＣＣＤなどの撮像素子は、ほぼ十分な画素数に近づきつつあり、それらデバイスメーカーでの競争は画素数から画質の競争に変化しつつある。
マイクロレンズの形成技術に関する公知の技術としては、例えば、特開昭６０−５３０７３号公報に比較的詳細に示されている。この文献には、レンズを丸く半球状に形成する技術として熱による樹脂の熱流動性（熱フロー）を用いた技術、また、いくつかのエッチング方法によりレンズを加工する技術が詳細に開示されている。加えて、レンズ表面の光散乱による集光性能のロスの改善策として、レンズ表面にポリグリシジルメタクリレート（ＰＧＭＡ）などの有機膜や、ＯＣＤ（東京応化工業（株）製のＳｉＯ_２系被膜形成用塗布液）の無機膜を形成する技術なども開示されている。
マイクロレンズでの反射を防止するため、単層もしくは多層の反射防止膜をマイクロレンズ上に形成する技術は、例えば、特開平４−２２３３７１号公報に開示されている。また、マイクロレンズをドライエッチング加工する技術は、上記の技術以外に特開平１−１０６６６号公報に詳細な記載がある。さらに、有色マイクロレンズ（着色したマイクロレンズ）の技術は、特開昭６４−７５６２号公報、特開平３−２３０１０１号公報などに開示されている。
図１Ａは、従来の典型的な固体撮像素子の一例の断面図を示している。図１Ａに示すように、光電変換素子８０上には、平坦化層８１、８２、カラーフィルタ８３、場合により層内レンズなどが形成され、一般には５〜６μｍ程度の大きめの（厚めの）レンズ下距離Ｄ１となっている。
また、図１Ｂは、従来の固体撮像素子の他の一例（有色レンズ９０を配設する）の断面図を示している。カラーフィルタの機能を兼ね備えた有色レンズ９０によって、固体撮像素子の構成を簡便にすることができる。
しかしながら、従来の固体撮像素子においては、例えば次に述べるような問題がある。
第１に、従来の固体撮像素子の構成でレンズ下距離を小さくするのは、困難である。すなわち、図１Ａにおいて、マイクロレンズ８５からの入射光の集光性を向上させ、かつ、光電変換素子８０でのＳ／Ｎ（信号／ノイズ）比を向上させる有力な手段は、レンズ下距離Ｄ１を小さく（薄く）することである。しかし、単純にマイクロレンズ８５の厚み（レンズ高さＤ２）を薄いものにしてしまうと、熱フローによってマイクロレンズを製造する方法では略半球状になりにくく、好適なマイクロレンズを製造することができない。
この問題は、その消費電力が小さく、駆動回路と一体化して省スペース化できる点から最近注目を集めているＣ−ＭＯＳ撮像素子において、特に顕著である。なぜなら、Ｃ−ＭＯＳ撮像素子は、その構造上、マイクロレンズから光電変換素子までの距離が大きくなる傾向にあり、上記レンズ下距離Ｄ１を小さくするためには不利な構成であるからである。
第２に、従来の構成では、光の入射位置によっては色純度が低下し画質低下につながる問題がある。すなわち、図１Ｂにおいて、有色レンズ９０の中央付近に入射する光Ｌ１は、十分な厚みの有色レンズを透過するため、その透過光Ｌ３にはほぼ目的とするカラーフィルタ効果を期待できる。これに対し、有色レンズ９０の端部から入射する光Ｌ２は、カラーフィルタである有色レンズの薄い部分を透過するため、その透過光Ｌ４はかなり白っぽい色となり、結果として大きく色純度を低下させてしまう。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、レンズ下距離を小さくし、集光性、Ｓ／Ｎ比の改善を図ること、マイクロレンズの実質的な厚みを０．５μｍ以上とすること、有色レンズにおける色純度の低下を抑制し、開口率を向上させることができる固体撮像素子、及びその製造方法を提供することを課題とするものである。
本発明の第１の視点は、二次元的に配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子のそれぞれを被覆する複数の略半球形状のマイクロレンズと、を具備する固体撮像素子であって、前記マイクロレンズは、前記略半球形状の少なくとも一部を形成する透明樹脂上部層と、前記透明樹脂上部層の前記光電変換素子側に設けられ、当該透明樹脂上部層との界面が前記光電変換素子の表面に沿った形状を有する、着色下部層と、を少なくとも有する多層構造レンズである固体撮像素子である。
本発明の第２の視点は、二次元的に配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子のそれぞれを被覆する複数の略半球形状のマイクロレンズと、を具備する固体撮像素子製造方法であって、半導体基板に二次元的に配置された複数の光電変換素子上に平坦化層を形成し、前記平坦化層上に、色素を色材とした感光性着色レジストを用いて、フォトリソグラフィによって複数色の着色下部層を形成し、前記複数色の着色下部層上に、第一樹脂塗布液を塗布することで透明樹脂上部層を形成し、アルカリ可溶性、感光性、及び熱フロー性を有するレンズ材料を用いて、前記透明樹脂上部層上に、フォトリソグラフィ及び熱処理によってレンズ母型を形成し、前記レンズ母型上にドライエッチングを行い、少なくとも前記透明樹脂上部層に前記レンズ母型パターンを転写し、少なくとも前記透明樹脂上部層と前記着色下部層とを有する前記マイクロレンズを形成すること、を具備する固体撮像素子製造方法である。

図１Ａは、従来の典型的な固体撮像素子の一例の断面図を示している。図１Ｂは、従来の固体撮像素子の他の一例（有色レンズ９０を配設する）の断面図を示している。
図２Ａは、第１の実施形態に係る固体撮像素子１の上面図を示している。図２Ｂは、図２ＡにおけるＡ−Ａに沿った断面図を示している。
図３Ａ乃至図３Ｃは、固体撮像素子１の製造方法を説明するための図である。
図４は、第２又は第３の実施形態に係る固体撮像素子の一例のマイクロレンズ側からの上面図であり、ベイヤー配列における着色下部層及びマイクロレンズの二次元的（平面的）な配列を示した図である。
図５Ａは、固体撮像素子２０の図４のＡ−Ａに沿った断面図を示している。図５Ｂは、第２の実施形態に係る他の例としての固体撮像素子２０図４のＡ−Ａに沿った断面図を示している。
図６Ａ乃至図６Ｃは、固体撮像素子２０の製造方法を説明するための図である。
図７は、第２の実施形態に係る方法にて製造された固体撮像素子２０の図６中Ｂ−Ｂに沿った断面図を示している。
図８Ａ乃至図８Ｃは、固体撮像素子２０の製造方法を説明するための図である。
図９は、第３の実施形態に係る固体撮像素子３０の図４におけるＡ−Ａに沿った断面図を示している。
図１０Ａ乃至図１０Ｃは、固体撮像素子３０の製造方法を説明するための図である。
図１１は、第３の実施形態に係る固体撮像素子３０の図４におけるＢ−Ｂに沿った断面図を示している。
図１２Ａは、第４の実施形態に係る固体撮像素子の一例のマイクロレンズ側からの上面図であり、ベイヤー配列における着色下部層及びマイクロレンズの二次元的（平面的）な配列を示した図である。図１２Ｂは、第４の実施形態に係る固体撮像素子４０の図４におけるＡ−Ａに沿った断面図を示している。
図１３は、マイクロレンズ４１の拡大図であり、着色下部層１０ｂの膜厚について説明するための図である。
図１４は、第４の実施形態に係る固体撮像素子４０の効果を説明するため図である。
図１５Ａ乃至図１５Ｇは、固体撮像素子４０の製造方法の一実施例を工程順に示した図である。
図１６は、第５の実施形態に係る固体撮像素子５０の上面図を一例のマイクロレンズ側からの上面図であり、ベイヤー配列におけるカラーフィルタ層およびマイクロレンズの２次元（平面）的な配列を示した図である。
図１７は、図１６におけるＢ−Ｂに沿った断面図を示している。
図１８は、図１６におけるＡ−Ａに沿った断面図を示している。
図１９Ａ乃至図１９Ｃは、固体撮像素子５０の製造方法を説明するための図である。

以下、本発明の各実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
（第１の実施形態）
図２Ａは、第１の実施形態に係る固体撮像素子１の上面図を示している。また、図２Ｂは、図１におけるＡ−Ａに沿った断面図を示している。まず、固体撮像素子１の構成を、図２Ａ及び図２Ｂを参照しながら説明する。
図２Ａ、図２Ｂに示すように、固体撮像素子１は、マイクロレンズ１０、半導体基板１１、光電変換素子１３、遮光層１６、平坦化層１５を具備している。
半導体基板１１は、光電変換素子１３等を実装するための基板である。光電変換素子１３は、マイクロレンズ１０を経由して入射した光を、電荷に変換する。平坦化層１５は、マイクロレンズ１０の実装面を平坦化する。
マイクロレンズ１０は半球形状であり、当該レンズ１０の上部を形成する半球状の透明樹脂上部層１０ａ、レンズ１０の裾の部分を形成する着色下部層１０ｂを有している。透明樹脂上部層１０ａと着色下部層１０ｂとの境界は、光電変換素子１３の表面に沿った形状、すなわち平坦になっている。この平坦面の面積は、着色下部層１０ｂの有効面積（集光機能のある表面）の一部に対応する。また、図２Ｂの例では、着色下部層１０ｂの一部は、図２Ｂに示すようにマイクロレンズ１０の半球形状の一部を形成する構成となっている。この様に、着色下部層１０ｂは、マイクロレンズ１０の半球形状の一部を形成することが好ましい。
透明樹脂上部層１０ａの厚みＴ１は、特に規定するものでないが、熱フローによる下限の厚みである０．４μｍ以上であることが望ましい。また、透明樹脂上部層１０ａの厚みＴ１の上限は、本実施形態が微細な画素ピッチを対象としていることから、約１μｍであることが望ましい。
着色下部層１０ｂの厚みＴ２は、目的とする色分離に必要なカラーフィルタ膜厚で良く、特に限定する趣旨ではない。一般には、０．５μｍ〜１．５μｍの範囲内で対応可能である。着色下部層１０ｂと透明樹脂上部層１０ａとの平坦界面は、色分離の観点から、画素サイズの許せる範囲でなるべく広い方が好ましい。
なお、着色下部層１０ｂは、有機顔料を色材として着色してもよいが、染料を用いて着色することが好ましい（色材は、着色剤を含む材料を意味する）。その理由としては、有機顔料を使用した場合、その種類によってドライエッチングでのエッチングレートに差があり、色毎にレンズ形状が変化しやすいこと、その表面形状が粗面になること、本実施形態の対照である微細な画素ピッチの撮像素子では、顔料自体の粒径（粒子）がＳ／Ｎ比に悪い影響を与えやすく、その着色レジスト材料のフィルトレーション（異物除去）も難しいこと等が挙げられる。
色材として有機顔料を含む着色層は、深いエッチングを行うとその表面が大きく荒れ、その粗面となった着色下部層の一部をマイクロレンズとするとマイクロレンズ形状の保持が困難となる。エッチング前の各色の着色下部層の膜厚に違いがあると、最終的な膜厚の調整をドライエッチング工程で行うことになり、必然的にドライエッチングされる着色下部層の厚みも増すこととなる。従って、エッチング表面の粗面化が許容できる範囲となるためには、各色の着色下部層の厚みの差を０．３μｍ以内に収めるとよい。この複数の着色下部層の膜厚の差が大きいほど、よいレンズ形状のマイクロレンズを得ることができる。
透明樹脂上部層１０ａと着色下部層１０ｂとの屈折率差は、光電変換素子への入射光量をできるだけ減らさないために、なるべく小さいことが望ましい。また、透明樹脂上部層１０ａの屈折率は、その表面反射を小さくするために、より低屈折率であることが好ましい。これらの観点から、透明樹脂上部層１０ａと着色下部層１０ｂとの界面に反射低減の光学薄膜を挿入しても良い。この場合、透明樹脂上部層１０ａと光学薄膜との界面は平坦である必要はないが、光学薄膜と着色下部層１０ｂとの界面は平坦である必要がある。また、マイクロレンズ１０の全面に反射防止膜を積層しても良い。低屈折率の透明樹脂上部層１０ａは、高屈折率である場合よりも膜厚を厚く形成できる点からも、反射防止膜を積層する構成は、微細な画素を有する本固体撮像素子１においては、好ましいと言える。
マイクロレンズ１０は、レンズ母型を用いたドライエッチングによって形成される。このレンズ母型を用いたドライエッチングでは、レンズ間の凹部は比較的エッチングが進みやすい傾向があり、マイクロレンズの仕上がり形状を劣化させやすい。これを緩和するため、ドライエッチング前に、予め、膜厚０．０５μｍ〜０．３μｍ前後の透明樹脂薄膜層でレンズ母型全体を覆うことが好ましい。この工程を挿入することにより、よりスムースなレンズ母型転写を実施することができる。
また、本固体撮像素子１の製造においては、レンズ下距離を小さくするため、ドライエッチングの深さをできるだけ大きくする。このとき、着色下部層の下地層（すなわち、平坦化層１５）まで入れると、着色下部層の平坦面（有効面）が小さくなる。従って、マイクロレンズ周辺からの色純度の低下した入射光量が増え、画質低下につながることになる。そのため、ドライエッチングの深さは、着色下部層の厚み方向の途中までとすることが好ましく、エッチングの入らない着色下部層を０．４μｍ程度、好ましくは０．７μｍ残すと、色純度の低下を抑えることができる。
ドライエッチングには通常Ｏ_２ガスを用いるが、還元性のあるフロン系ガスをエッチングガスとして用いると狭ギャップでレンズ母型を転写できるため、レンズ形状を確保しやすい。使用できるフロン系ガスとしては、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＨＦ_３、Ｃ_２ＨＦ_５等が挙げられる。これらを一種、或いは複数を組み合わせて使用することができる。特にＦの比率に対して、ＣやＨの比率が大きくなると、狭ギャップの保持に効果的である。より具体的には、ＣＦ_４を基本ガスとしてこれにＣ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８等を少量添加する混合ガスが好ましい。ただし、エッチングガスの組成は、最適なレンズ形状やレンズ間ギャップを得るために、使用するドライエッチング装置に依存する部分が多く、それゆえガス組成は限定されものではない。
透明樹脂上部層１０ａをアクリル系樹脂とした場合、感光性着色レジストの樹脂は、密着力や屈折率などからアクリル系の感光性樹脂であることが望ましい。染料は、感光性着色レジストの主溶剤に溶かし込む形でも、染料分散の形でも、或いは、樹脂骨格に組み込む、いわゆるペンダントした形でも良い。
なお、染色槽を用いての一般的な染色方法は、工程数が増えるのでコストの観点からは好ましくない。染料を色材とするカラーフィルタは、着色レジストの段階で０．２μｍ〜０．１μｍの高度なフィルトレーション（異物除去）が可能であるので、１μｍ〜０．５μｍのフィルトレーションが限界の有機顔料を分散した着色レジストより、高度な画質をもち、Ｓ／Ｎ比を大きく向上させた撮像素子が得られる。
染料は、アゾ系、キサンティニウム系、フタロシアニン系、アントラキノン系、クマリン系およびスチリル系などが挙げられる。赤、緑、青の３原色染料や、シアン、マゼンタ、イエローの補色系染料、これらにグリーンを加えたものを用いることができる。
（製造方法の実施例１）
次に、本固体撮像素子１の製造方法の例について詳細に説明する。
図３Ａ乃至図３Ｃは、固体撮像素子１の製造方法を説明するための図である。
図３Ａに示すように、光電変換素子１３や遮光膜、パッシベーション（共に図示せず）を形成した半導体基板１１上に、平坦化層１５を熱硬化タイプのアクリル樹脂塗布液を用いてスピンコートで形成する。さらに、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のそれぞれの感光性着色レジストを用い、３回のフォトリソグラフィで着色下部層１０ｂを形成する。Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のそれぞれの感光性着色レジストは、スピンコートの手法で塗布し、露光はステッパー露光機を用いる。
次に、図３Ｂに示すように着色下部層１０ｂのＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の上に、熱硬化タイプのアクリル樹脂塗布液を用いてスピンコートにて、透明樹脂上部層１０ａを形成する。
透明樹脂上部層１０ａ上に、さらに熱フロー性をもつ感光性アクリル系樹脂を、おなじくスピンコートで塗布し、露光、現像、さらに熱フローさせて半球状のレンズ母型１９を形成する。熱フロー処理時の温度は、例えば１９０℃とする。この後、透明樹脂上部層１０ａの形成に用いたのと同じアクリル系樹脂塗布液を、乾燥後の膜厚で約０．１μｍになるようにレンズ母型１９上の全体に形成し、透明樹脂薄膜層（図示せず）とする。
次に、レンズ母型１９を形成した半導体基板１１を、ドライエッチング装置にて、Ｏ_２ガスによるエッチング処理を行う。このエッチング処理は、基板温度常温、圧力５Ｐａ、ＲＦパワー５００Ｗ、バイアス１００Ｗにて実行し、図３Ｃに示す形状の固体撮像素子１を得る。なお、形成したマイクロレンズ１０上に反射防止膜を積層しても良い。
上記製造例においては、透明樹脂上部層１０ａ、着色下部層１０ｂ、および平坦化層１５の樹脂材料は、光の波長５５０ｎｍの屈折率が１．５１〜１．５５の範囲の、ほぼ同じ屈折率をもつアクリル樹脂を用いている。また、着色下部層１０ｂは、これに含まれる色材の関係で正確な屈折率測定が比較的難しいが、Ｒ（赤）の７００ｎｍでの屈折率は、１．６１である（Ｒ（赤）は、５５０ｎｍ緑の光の吸収が大きいため、５５０ｎｍでの正確な屈折率測定が困難である）。
さらに、着色下部層１０ｂのＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の形成には、それぞれカラーインデックスにて、Ｃ．Ｉ．Ａｃｉｄ Ｒｅｄ １１４、Ｃ．Ｉ．Ａｃｉｄ Ｇｒｅｅｎ １６、Ｃ．Ｉ．Ａｃｉｄ Ｂｌｕｅ ８６の染料を中心とする色材を、アクリル系樹脂、シクロヘキサノン溶剤とともに調製したアクリル系の感光性着色レジストを用いている。色材の添加量は、それぞれレジスト中の固形分比にて約２０％である。
このような製造方法により得られる固体撮像素子１は、図３Ｃに示すように、半導体基板１１上に光電変換素子１３、着色下部層１０ｂと透明樹脂上部層１０ａとからなるマイクロレンズ１０が形成されたものである。発明者らの実験によれば、得られた固体撮像素子１の透明樹脂上部層１０ａのピーク厚み（中央部の厚み）Ｔ１は０．６μｍであり、着色下部層１０ｂのレンズ形状切れ込み部分までの深さをあわせたマイクロレンズ１０の厚みＴ５は、約１．１μｍであった。また、着色下部層１０ｂのみの厚みＴ２は、０．９μｍであり、レンズ下距離（着色下部層１０ｂから光電変換素子１３までの距離）は、約３．４μｍであった。従来のレンズ下距離は５．５μｍであり、本固体撮像素子１ではそれの約６０％と極めて小さくすることができた。なお、本実施例では、マイクロレンズのピッチは、３．５μｍ、レンズ間のギャップは０．３μｍとした。
（製造方法の実施例２）
次に、本固体撮像素子１の製造方法の他の例について詳細に説明する。
ドライエッチングにＯ_２ガスの代わりにＣＦ_４ガスを８０％、Ｃ_３Ｆ_８ガスを２０％添加したドライエッチングガスでエッチングを行った他は、上記実施例１と同様の方法によって本固体撮像素子１を製造した。
このような製造方法によって得られる固体撮像素子１は、図３Ｃに示すように、半導体基板１１上に光電変換素子１３、着色下部層１０ｂと透明樹脂上部層１０ａとからなるマイクロレンズ１０が形成されたものである。発明者らの実験によれば、得られた固体撮像素子１の透明樹脂上部層１０ａのピーク厚み（中央部の厚み）Ｔ１は０．４μｍであり、着色下部層１０ｂのレンズ形状切れ込み部分までの深さをあわせたマイクロレンズ１０の厚みＴ５は、約０．６μｍであった。また、着色下部層１０ｂのみの厚みＴ２は、０．８μｍであり、レンズ下距離（着色下部層１０ｂから光電変換素子１３までの距離）は、約２．５μｍであった。従来のレンズ下距離は５．５μｍであり、本固体撮像素子１ではそれの約４５％と極めて小さくすることができた。なお、本実施例では、マイクロレンズのピッチは、２．７μｍ、レンズ間のギャップは０．０５μｍとした。
以上述べた様に、本実施形態に係る固体撮像素子１及びその製造方法によれば、少なくとも次の何れかの効果を得ることができる。
第１に、レンズ下距離を小さくすることができ、従来に比して集光性、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。なぜなら、本固体撮像素子１は、透明樹脂上部層１０ａと着色下部層１０ｂとの少なくとも２層構造であり、かつ透明樹脂上部層１０ａと着色下部層１０ｂの界面が光電変換素子１３の表面形状に沿った（本実施形態の例では、水平形状に沿った）マイクロレンズ１０を具備するものである。従って、着色下部層１０ｂをマイクロレンズ１０内に含ませることでレンズ下に設けられる層を最小限にすることができるからである。
第２に、小さな画素ピッチの固体撮像素子であっても容易に加工することができる。なぜなら、本固体撮像素子１は、レンズ下距離を小さくすることによって実質的なマイクロレンズ１０の厚みを０．５μｍ以上にすることができる。この厚みであれば、熱フローによって略半球状のレンズ形状を形成することが容易だからである。
なお、発明者らの実験によれば、０．４μｍ以下に薄くレンズ状に形成するのは極めて困難であり、例えば、３μｍピッチの画素の場合、量産性を考慮したマイクロレンズの膜厚は０．４μｍが限界で、０．３μｍでは、略半球状にならず台形状となった。これに対し、本固体撮像素子のように、実質的なマイクロレンズ１０の厚みを０．５μｍ以上にした場合には、容易に略半球形状を形成することができた。
第３に、有色レンズにおける色純度の低下を抑制し、開口率を向上させることができる。本固体撮像素子１の着色下部層１０ｂは、透明樹脂上部層１０ａとの界面が光電変換素子１３の表面形状に沿った（本実施形態の例では、水平形状に沿った）形状であり、従来に比して有効面積が大きいからである。
第４に、レンズ下距離が小さく集光性、Ｓ／Ｎ比を改善した、有色レンズにおける色純度の低下を抑制し、開口率を向上させた固体撮像素子を、小さな画素ピッチであっても容易に製造することができる。光電変換素子上に複数色の着色下部層を形成する工程、該複数色の着色下部層上に透明樹脂上部層を形成する工程、透明樹脂上部層上にレンズ母型を形成する工程、該レンズ母型上に、ドライエッチングを行い、透明樹脂上部層と着色下部層へレンズ母型パターンを転写する工程を具備する固体撮像素子製造方法であるからである。
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る固体撮像素子２０の上面図を示した図である。図５Ａは、固体撮像素子２０の図４のＡ−Ａに沿った断面図を示している。図５Ａに示すように、固体撮像素子２０は、半導体基板１１、光電変換素子１３、マイクロレンズ１０、遮断層１６、平坦化層１５を具備している。
マイクロレンズ１０は、透明樹脂上部層１０ａ、着色下部層１０ｂを有している。透明樹脂上部層１０ａ、及び平坦化層１５に、赤外線吸収機能を付与することができる。通常、デジタルカメラや携帯電話向けの固体撮像素子の光学系には、２ｍｍ程度の厚みの赤外線カットフィルタが入れられているが、透明樹脂上部層１０ａ或いは平坦化層１５に赤外線吸収機能を付与することにより赤外線カットフィルタを光学系から除くことができる。
また、図５Ｂに示すように、紫外線吸収層１４を、平坦化層１５と着色下部層１０ｂとの間に配置する構成とすることもできる。
近時、固体撮像素子の微細化は進み、画素（もしくはマイクロレンズ）は、３μｍピッチ以下、あるいは２μｍピッチ以下の極めて微細な領域になりつつある。これらの微細な画素ではパターン形状のビリツキが、画質にムラなどの形で悪い影響を及ぼす。
パターン形状のビリツキの原因となる下地からの光の反射（ステッパー露光装置（露光波長は３６５ｎｍの紫外線）の再反射光）を防止するため、予め着色下部層の下地として紫外線吸収機能を有する層を形成しておくのが好ましく、平坦化層１５の上に紫外線吸収層１４を形成しても、平坦化層１５に紫外線吸収機能を持たせてもよい。紫外線吸収機能を持つ層は、着色下部層１０ｂの下地に形成できればよく、紫外線吸収機能を平坦化層１４に併せて持たせることもできる。
紫外線吸収層１４は、赤外線吸収層を形成する工程と、レンズ母型を形成する工程との間に、紫外線吸収層を塗布によって形成する工程を挿入することを経ることで製造される。このように製造工程において紫外線吸収層を設けることにより、ステッパー露光装置でのハレーションを防止して、高精度のマイクロレンズパターンを形成することができる。また、比較的耐光性の低い赤外線吸収層を紫外線から保護する機能を付与することができる。
紫外線吸収層１４は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、スチレン樹脂、フェノール樹脂、あるいはこれらの共重合物などの透明樹脂が使用可能である。
なお、紫外線吸収層１４は、固体撮像素子の製造プロセスで使用するｉ線（３６５ｎｍ）と、固体撮像素子が装着されたカメラを使用する際の外光に含まれる紫外線とを対象としている。紫外線吸収層１４は、前者に対しては、ｉ線（３６５ｎｍ）のハレーションを防止してレンズ母型のパターン形状を確保することになる。後者に対しては、これを吸収して赤外線吸収層の機能劣化を防ぐ。
また、紫外線吸収機能は、紫外線吸収性化合物や紫外線吸収剤を前記の透明樹脂或いは平坦化層形成樹脂に添加あるいはペンダント（反応型紫外線吸収剤などの形で樹脂分子鎖に組み込む）方式にて与えることが可能である。使用可能な紫外線吸収剤としては、ベンゾトリアゾール系化合物、ベンゾフェノン系化合物、サリチル酸系化合物、クマリン系化合物などがあげられる。これら紫外線吸収剤に、例えば、ヒンダードミン系化合物のような光安定化剤やクエンチャー（例えば、一重項酸素クエンチャー）を添加しても良い。また、酸化セリウムや酸化チタンなどの金属酸化物微粒子の紫外線吸収剤も利用可能である。
マイクロレンズ１０は、透明樹脂上部層１０ａ、着色下部層１０ｂを有している。透明樹脂上部層１０ａ及び平坦化層１５は、赤外線吸収機能を有している。そのため、当該固体撮像素子２０は、赤外カットフィルタを必要としない。従って、色再現性を損なわずに、従来に比してレンズ下距離が短いものとなっている。
透明樹脂上部層１０ａ及び平坦化層１５に使用可能な赤外線吸収剤としては、アントラキノン系化合物、フタロシアニン系化合物、シアニン系化合物、ポリメチレン系化合物、アルミニウム系化合物、ジイモニウム系化合物、イモニウム系化合物、アゾ系化合物などがあげられる。
また、赤外線吸収機能は、赤外線吸収性化合物や赤外線吸収剤を前記の透明樹脂に添加あるいはペンダント（反応性染料など反応型赤外線吸収剤などの形で樹脂分子鎖に組み込む）方式にて可能である。
なお、赤外線吸収剤の多くは、その吸収波長域が限定され、Ｃ−ＭＯＳやＣＣＤ等の光電変換素子で要求される近赤外および赤外域（例えば、６５０ｎｍ〜１１００ｎｍ）の領域全てを１種の赤外線吸収剤でカバーすることは困難である。故に、２種から６種類程度の複数の赤外吸収剤を混合して、或いは、１構成要素を多層にして用いることが好ましい。
また、可視領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の透過率を確保しながら、十分な赤外線吸収機能を付与するには、Ｃ−ＭＯＳやＣＣＤ等の光電変換素子上に備えた構成要素の複数に赤外線吸収機能を分担させることが好ましい。例えば、同一の赤外線吸収剤を異なる構成要素に含有させて赤外線吸収機能を強化する、或いは吸収波長域の異なる赤外線吸収剤を、各々異なる構成要素に含有させる等の処理を行い、赤外線吸収機能を分担させることが好ましい。さらに、赤外線吸収剤のもつ耐熱性などを考慮して、どの構成要素に含有させるかを選択することもできる。
さらに、着色下部層１０ｂに赤外線吸収機能をもたせる際には、吸収波長域の異なる、すなわち赤外線吸収剤の種類及び含有量を調節して含有させることが好ましい。これは、光電変換素子１３上に備えた原色（ＲＧＢ）系、或いは補色（ＹＭＣ）系の三原色のカラーフィルタ層においては、色毎に赤外領域の分光特性（吸収）が異なるからである。
マイクロレンズ１０の形成におけるドライエッチングの深さ、使用するガスの条件及び着色下部層１０ｂに使用する着色樹脂についての条件は、既述の実施形態と同様である。また、非開口部２５を小さくし、マイクロレンズ１０の開口率をあげるため、あるいは、赤外線吸収機能を向上させるため、マイクロレンズ１０上に赤外線吸収層の薄膜を塗布によって積層しても良い。
マイクロレンズ１０の表面や非開口部からの入射光の再反射を軽減するため、マイクロレンズ１０上や、上記の赤外線吸収層の薄膜の上にさらに低屈折率樹脂の薄膜を形成することが望ましい。また、マイクロレンズ１０間に露出される非開口部２５（図４）には、マイクロレンズの表面で反射される迷光を吸収し、固体撮像素子に発生するノイズ（この場合は、反射光の再入射）を幾分でも減らすため、屈折率の低い材料の薄膜を積層しても良い。
（製造方法の実施例１）
次に、本固体撮像素子２０の製造方法の例について詳細に説明する。
図６Ａ乃至図６Ｃは、固体撮像素子２０の製造方法を説明するための図である。
図６Ａに示すように、光電変換素子１３及び遮光層１６が形成された半導体基板１１上に平坦化層１５を形成後、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）３色のカラーレジストを用い、ステッパー露光装置を使用しての公知のフォトリソグラフィにて、順次に３色の着色下部層１０ｂを形成する。各々の着色下部層１０ｂの膜厚は、例えば０．９μｍ〜０．８μｍとする。
なお、着色下部層１０ｂのＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）は、それぞれ有機顔料を色材とする東洋インキ製造（株）製のカラーレジストを用いることができる。本実施例１の色配列は、一画素を２つのＧ（緑）と１つのＲ（赤）、１つのＢ（青）との合計４素子で構成する、いわゆるベイヤー配列としている。なお、図６は、固体撮像素子２０の一例のマイクロレンズ側からの平面図であり、またベイヤー配列におけるカラーフィルタ層およびマイクロレンズの２次元（平面）的な配列を示した図である。
次に、図６Ｂに示すように、着色下部層１０ｂ上に３種類の赤外線吸収剤を含む樹脂塗布液を用いて１μｍ膜厚に赤外線吸収層２６を形成する。さらに、熱フロー性をもつ感光性のフェノール樹脂をスピンコートで塗布し、露光、現像、熱フローさせて半球状のレンズ母型１９を形成する。このときの熱フローの温度は例えば２００□であり、レンズ母型１９の厚み（レンズ高さ）は０．７μｍである。
なお、本実施例では、赤外線吸収機能を持つ樹脂塗布液として、熱硬化アクリル樹脂の１００重量部と、山本化成（株）製、赤外線吸収剤ＹＫＲ３０８０、ＹＫＲ３０３０、ＹＫＲ２００の３種類を合わせた２０重量部とをシクロヘキサノンなど有機溶剤に溶解させた樹脂塗布液を用いるものとする。
次に、図６Ｃに示すように、レンズ母型１９を形成した半導体基板１１を、ドライエッチング装置にてＯ_２ガスによるエッチング処理（白矢印）を行う。基板温度は常温、圧力１Ｐａ、ＲＦパワー５００Ｗ、バイアス５０Ｗの条件で処理し、下方の赤外線吸収層にレンズ母型１９を完全に転写して、赤外線吸収機能を有する透明樹脂上部層１０ａを形成する。
なお、レンズ母型１９の材料をフェノール系樹脂のようにエッチングレートの遅い樹脂とする（あるいは、下方の赤外線吸収層の樹脂のエッチングレートを速い材料とする）など、エッチングレートの異なる樹脂材料を用いることにより、マイクロレンズの形状を最適な光学特性に合わせることが可能である。
（製造方法の実施例２）
次に、本固体撮像素子２０の製造方法の他の例について詳細に説明する。
図７は、本実施例２に係る方法にて製造された固体撮像素子２０の図６中Ｂ−Ｂに沿った断面図を示している。同図に示すように、固体撮像素子２０は、光電変換素子１３が形成された半導体基板１１上に、赤外線吸収機能をもつ平坦化層１５を平均厚み０．６μｍで、また、紫外線吸収層１４を０．５μｍで塗布により積層する。さらに、反応性染料による色材を用いた３色の着色下部層１０ｂを厚み０．９μｍで形成したものである。なお、図７はベイヤー配列、すなわち、図６でのＢ−Ｂ線の断面のため、Ｇ（緑）画素のみの表示となっている。
また、着色下部層１０ｂ上には、さらに赤外線吸収層の薄膜２６および低屈折率樹脂２７の薄膜が、それぞれ約０．１μｍの厚みで、スピンコートの手法により形成してある。マイクロレンズ１０間の凹みの部分には、赤外線吸収層の薄膜は０．５μｍ程度とやや厚めになっている。これは、後に示すように、ドライエッチングにてカラーフィルタ層の色間に、予め、およそ０．４μｍの深さの凹みを形成しておいた効果である。
図８Ａ乃至図８Ｃは、固体撮像素子２０の製造方法を説明するための図である。まず、図８Ａに示すように、半導体基板１１上に、赤外線吸収機能をもつ平坦化層１５及び紫外線吸収層１４をいずれもスピンコートの手法を用い、塗布によって形成する。これらの層の硬膜は、例えば２３０℃のホットプレートで行う。さらに、染料を色材とするカラーレジスト（アクリル感光性樹脂ベース）を用いて、実施例１と同じフォトリソグラフィにて、順次に３色の着色下部層１０ｂを形成する。
次に、実施例１と同様、赤外線吸収層２６およびレンズ母型１９を形成した後、ドライエッチングでレンズ母型を転写してマイクロレンズ１０とする。この場合に、着色下部層１０ｂの一部にまでエッチングを入れる。着色下部層１０ｂの画素間には、およそ０．４μｍの深さの凹み２８を形成する。
次に、図８Ｂに示すように、およそ０．１μｍ膜厚（マイクロレンズ間凹みは厚くなる）に赤外線吸収層の薄膜２６を形成する。さらに、図８Ｃに示すように、およそ０．１μｍ膜厚に低屈折率樹脂２７（フッソ系アクリル樹脂、屈折率１．４５）を塗布により形成する。低屈折率樹脂２７の積層により、当該低屈折率樹脂２７のない構成（例えば、図８Ｂの構成）と比較して、光の反射率をおよそ２％低下（すなわち、光の透過率の２％増加）させることができる。
以上述べた様に、本実施形態に係る固体撮像素子２０及びその製造方法によれば、少なくとも次の何れかの効果を得ることができる。
第１に、固体撮像素子２０の透明樹脂上部層１０ａ及び平坦化層１５が赤外線吸収機能をもっているので、従来の赤外カットフィルタを不要なものとし、カメラを小型にすることが容易にできる。
第２に、赤外線吸収波長域の異なる複数の赤外線吸収剤を各構成要素に分割して吸収性能を付与するので、固体撮像素子２０に広域の赤外線吸収機能を無理なく任意に設定できる。加えて、赤外線吸収剤それぞれの耐熱性や耐光性によって、最適の場所にそれを配設できるッメリットがある。
第３に、ドライエッチングを用いてレンズ母型１９を赤外線吸収層２６に転写するため、光の利用効率が高い薄膜構成の固体撮像素子を提供できる。また、着色下部層１０ｂの一部にまでエッチングを入れるため、さらに薄膜化でき、より高い画質の固体撮像素子を提供できる。
第４に、マイクロレンズ１０の表面に、もしくは、着色下部層１０ｂの下地に紫外線吸収機能を付与することにより、やや耐光性の乏しい赤外線吸収剤を保護する効果を持たせることができる。
第５に、マイクロレンズ１０の表面及び非開口部に低屈折率樹脂の薄膜を形成することにより、反射光を減らすことができ、固体撮像素子の画質を改善することができる。一般に、マイクロレンズ、もしくは赤外線吸収層の薄膜の表面からの反射光は、固体撮像素子のカバーガラスからの再反射光となり固体撮像素子に再入射し、ノイズとなり画質低下の原因となる。しかしながら、本固体撮像素子２０は、こうしたノイズを軽減できるため、高画質を得ることができる。
第６に、透明樹脂上部層１０ａ及び平坦化層１５に赤外線吸収機能をもち、従来の赤外カットフィルタを不要なものとする固体撮像素子２０を製造することができる。上記製造方法は、半導体基板１１の光電変換素子１３上に赤外線吸収機能をもつ平坦化層１５を形成する工程、着色下部層１０ｂを形成する工程、赤外線吸収層２６を形成する工程、フォトリソグラフィ及び熱処理によってレンズ母型１９を形成する工程、ドライエッチングを行い、赤外線吸収層２６へレンズ母型パターンを転写し、赤外線吸収層２６を透明樹脂上部層１０ａとする工程を具備するからである。
（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る固体撮像素子３０の図４におけるＡ−Ａに沿った断面図を示している。まず、固体撮像素子３０の構成を、図９を参照しながら説明する。
図９に示すように、固体撮像素子３０は、マイクロレンズ１０、半導体基板１１、光電変換素子１３、平坦化層１５、遮断層１６、外側樹脂層３１を具備している。
マイクロレンズ１０の厚みＴ５は、図９に示すように、透明樹脂上部層１０ａの厚みＴ１とマイクロレンズの一部を形成する下部着色層の厚みＴ４（着色下部層１０ｂのレンズ形状切れ込み部分までの深さ）の合計である（Ｔ５＝Ｔ１＋Ｔ４）。
具体的な透明樹脂上部層１０ａの好ましい厚みＴ１、着色下部層１０ｂの好ましい厚みＴ２、及び樹脂上部層１０ａと着色下部層１０ｂとの境界面の好ましい面積は、既述の実施形態と同様である。
マイクロレンズ１０の裾部にあたる部分Ｓの着色下部層１０ｂの表面は、透明樹脂上部層１０ａの表面の曲面を延長した曲面となっている点についても、第１の実施形態と同様である。
外部樹脂層３１は、マイクロレンズ１０の裾部にあたる部分であるＳの着色下部層１０ｂ上に形成されている薄膜である。この外部樹脂層３１は、着色下部層１０ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する透明樹脂材料（低屈折率樹脂）であることが望ましい。また、外部樹脂層３１の膜厚は、着色下部層と低屈折率樹脂にて光干渉による反射防止効果を得やすい膜厚に塗布形成することが好ましい。着色下部層１０ｂは、これに用いる色材（顔料や染料）を含むことから、光学的にその屈折率は高くなりやすいからである。この反射防止効果によって、非開口部２５からの反射光の影響を軽減し、再入射光による画質低下を防ぐことができる。
また、マイクロレンズ１０の一部である透明樹脂上部層１０ａの屈折率は、その表面反射を小さくするため、より低屈折率であることが好ましい。さらに、透過光量を増加させる観点から、透明樹脂上部層と着色下部層との界面に反射低減の光学薄膜を挿入しても良い。また、マイクロレンズ１０の全面に反射防止膜を積層しても良い。低屈折率の透明樹脂上部層１０ａは、高屈折率である場合より膜厚を厚く形成できるので、微細な画素を対象とする本発明では、好ましいと言える。
透明樹脂上部層１０ａは、低屈折率樹脂であるフッ素系アクリル樹脂で形成されている。これにより、マイクロレンズ１０での反射光を軽減させることができる。
一般に、半径ｒのレンズの焦点距離ｆは、下記の数式（１）で表される。
ｆ＝ｎ１／（ｎ１−ｎ０）・ｒ （１）
ここで、ｒは球面の半径、ｎ０は空気の屈折率、ｎ１はレンズの屈折率をそれぞれ示している。例えば、屈折率ｎ１＝１．６１のレンズは、空気媒体（屈折率ｎ０＝１）において２．６４ｒの焦点距離を持つことになる。
前記のように、０．４μｍ以下の膜厚の半球状のマイクロレンズ形成は、一般的に難しい。しかし、屈折率を１．５以下、好ましくは１．４５〜１．４０の範囲の低屈折率の透明樹脂を用いて透明樹脂上部層１０ａを形成すれば、厚めの半球状のマイクロレンズ１０を安定して形成できることになる。例えば、屈折率１．４３の透明なフッ素系アクリル樹脂を用いれば、０．４μｍ膜厚を１．２５倍の０．５μｍの膜厚で形成することができる。
なお、マイクロレンズ１０の形成におけるドライエッチングの深さ、使用するガスの条件及び着色下部層１０ｂに使用する着色樹脂、着色下部層１０ｂの形成において使用する感光性着色レジストの樹脂、染料に関する条件は、既述の実施形態と同様である。
（製造方法の実施例）
次に、本固体撮像素子３０の製造方法の例について詳細に説明する。
本実施例に係る固体撮像素子３０においては、透明樹脂上部層１０ａのピーク厚みＴ１（底面から中央部頂点までの高さ）を０．３μｍとし、これと着色下部層１０ｂのレンズ形状切れ込み部分までの深さとの合計がＴ５が、約０．８μｍとなるように設定している。また、着色下部層１０ｂのみの厚みＴ２は０．９μｍとしている。このような設定により、レンズ下距離は、約３．１μｍと従来５．５μｍのおよそ５６％と極めて小さくなっている。
また、着色下部層１０ｂのＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の形成には、それぞれカラーインデックスにて、Ｃ．Ｉ．Ａｃｉｄ Ｒｅｄ １１４、Ｃ．Ｉ．Ａｃｉｄ Ｇｒｅｅｎ １６、Ｃ．Ｉ．Ａｃｉｄ Ｂｌｕｅ ８６の染料を中心とする色材を、アクリル系樹脂、シクロヘキサノン溶剤とともに調製したアクリル系の感光性着色レジストを用いる。色材の添加量は、それぞれレジスト中の固形分比にて、例えば約２０％とする。
図１０Ａ乃至図１０Ｃは、固体撮像素子３０の製造方法を説明するための図である。まず、図１０Ａに示すように、光電変換素子１３や遮光膜１６、パッシベーションを、半導体基板１１上に形成する。この半導体基板１１上に、平坦化層１５を熱硬化タイプのアクリル樹脂塗布液を用いてスピンコートで形成し、さらにＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のそれぞれの感光性着色レジストを用い、３回のフォトリソグラフィで着色下部層（３３）を形成する。Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のそれぞれの感光性着色レジストは、スピンコートの手法で塗布し、露光はステッパー露光機を用いる。
次に、図１０Ｂに示すように、着色下部層１０ｂのＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の上に、熱硬化タイプのフッ素系アクリル樹脂塗布液（第一樹脂塗布液）を用いてスピンコートにて、透明樹脂上部層１０ａを形成する。
透明樹脂上部層１０ａ上に、さらに熱フロー性をもつ感光性アクリル系樹脂を、おなじくスピンコートで塗布し、露光、現像、さらに熱フローさせて半球状のレンズ母型１９とする。なお、熱フロー処理時の温度は、例えば１９０℃とする。
次に、レンズ母型１９を形成した半導体基板１１に対して、ドライエッチング装置にて、Ｏ_２ガスによるエッチング処理を施す。このエッチング処理は、例えば基板温度常温、圧力１Ｐａ、ＲＦパワー５００Ｗ、バイアス５０Ｗにて実行する。さらに、熱硬化タイプ、屈折率１．４５のフッ素系アクリル樹脂塗布液（第二樹脂塗布液）（上記第一樹脂塗布液を有機溶剤で希釈したもの）を用いてスピンコートにて、およそ０．０９μｍの厚みで塗布し、図１０Ｃに示すように、透明樹脂の薄膜である外部樹脂層３１を形成する。
なお、本実施例においては、着色下部層１０ｂ、および平坦化層１５の樹脂材料は、光の波長５５０ｎｍの屈折率が１．５１〜１．５５の範囲の、ほぼ同じ屈折率をもつアクリル樹脂を用いるものとする。透明樹脂上部層１０ａは、屈折率が１．４５の日本化薬（株）製、フッ素系アクリル樹脂を用いるものとする。また、着色下部層１０ｂは、これに含まれる色材の関係で正確な屈折率測定が比較的難しいが、Ｒ（赤）の７００ｎｍでの屈折率は、１．６１である（Ｒ（赤）は、５５０ｎｍ緑の光の吸収が大きいため、５５０ｎｍでの正確な屈折率測定が困難である）。
図１１は、図４のＢ−Ｂに沿った断面図である。同図に、本固体撮像素子３０の非開口部２５を示した。非開口部２５およびマイクロレンズの裾部にあたる部分Ｓには、図１０Ｂの段階では屈折率の高い着色下部層が露出していたが、最終的には、この面に外部樹脂層３１が、およそ０．０９μｍの厚みで塗布形成されている。この外部樹脂層３１による光干渉効果と、着色下部層の光吸収もあり、非開口部２５からの再反射光を大きく軽減できる。着色下部層の表面であるマイクロレンズの裾部Ｓは、ドライエッチング等に若干の粗面化をされており、これによっても反射光を軽減する効果がある。
なお、本実施例に於いては、撮像素子のパッド部（電気的接続部）の肌だし工程の説明を省略している。また、外部樹脂層３１をアルカリ可溶性の感光性樹脂の形で用いれば、露光、現像工程にてパッド部の肌だし工程と置き換え可能である。さらに、本実施例は、薄膜の外部樹脂層３１を積層する構成で示したが、この外部樹脂層３１の積層は、これを省略しても良い。図１１に示す非開口部２５からの反射光は、若干増加するものの、本実施例でも示したエッチング処理をパッド部の肌だし工程と兼用できるため、工程省略による低コスト化のメリットがある。
以上述べた本実施形態に係る固体撮像素子３０及びその製造方法によれば、少なくとも次の何れかの効果を得ることができる。
第１に、レンズ下距離を小さくして集光性を改善し、また、小さな画素ピッチであっても容易に加工することができる。本固体撮像素子は、マイクロレンズが透明樹脂上部層と着色下部層の少なくとも２層構成であり、透明樹脂上部層と着色下部層の界面が平坦であり、裾部にあたる部分の着色下部層の表面が透明樹脂上部層の曲面を延長した曲面を有し、透明樹脂上部層の屈折率が着色下部層の屈折率よりも低い固体撮像素子である。従って、従来よりもレンズ下距離を小さくすることができ、かつマイクロレンズ１０を所定の厚み以上にすることができるからである。
第２に、有色レンズにおける色純度の低下を抑制して高画質に寄与し、さらに非開口部からの反射光を低減し、Ｓ／Ｎ比を改善することができる。本固体撮像素子は、着色下部層の表面が、着色下部層の屈折率よりも低い屈折率を有する透明樹脂の薄膜で覆われており、また、透明樹脂上部層の材料が、フッ素系アクリル樹脂であるからである。
（第４の実施形態）
図１２Ａは、第４の実施形態に係る固体撮像素子４０の一例のマイクロレンズ側からの上面図であり、ベイヤー配列における着色下部層及びマイクロレンズの二次元（平面）的な配列を示した図である。図１２Ｂは、固体撮像素子４０の図１２ＡにおけるＡ−Ａに沿った断面図を示している。まず、固体撮像素子４０の構成を、図１２Ｂを参照しながら説明する。
図１２Ｂに示すように、固体撮像素子４０は、略半球形状のマイクロレンズ４１、半導体基板１１、光電変換素子１３、平坦化層１５、遮断層（電極も兼ねる）１６、外側樹脂層３１を具備している。
マイクロレンズ４１は、ドライエッチング等でエッチング処理することにより形成されるレンズ母型４１ａ、透明樹脂中間層４１ｂ、着色下部層１０ｂを有している。透明樹脂中間層４１ｂ及び着色下部層１０ｂの少なくとも一部は、略半球形状の一部を形成している。
透明樹脂中間層４１ｂはレンズ母型４１ａの下地として設けられており、その素材は既述の第１乃至第３の実施形態に係る透明樹脂上部層１０ａと同様である。また、着色下部層１０ｂは、透明樹脂中間層４１ｂの下地として設けられている。透明樹脂上部層４１ａｂ着色下部層１０ｂとの境界は、光電変換素子１３の表面に沿った形状、すなわち平坦になっている。この平坦面の面積は、着色下部層１０ｂの有効面積に対応する。
マイクロレンズ４１を上記の構成にすることにより、レンズ下距離Ｄ１を小さくすることができ、実質的なレンズ厚みを０．５μｍ以上として、３μｍ以下の画素ピッチのマイクロレンズ加工を容易にすることができる。
図１３は、マイクロレンズ４１の拡大図であり、着色下部層１０ｂの膜厚について説明するための図である。図１３に示すように、本実施形態に係る固体撮像素子４０は、マイクロレンズ４１の曲線部分を構成する着色下部層１０ｂの一部の厚さをＴ４、着色下部層１０ｂの膜厚をＴ２としたとき、Ｔ４≦０．５Ｔ２なる条件が満たされるような構成を有する。これは、着色下部層１０ｂの境界部をレンズとして利用し、レンズ下距離Ｄ１を可能な限り小さくすると同時に、着色画素層の色純度低下を防止できるようにしたものである。
基本的には、レンズ下距離を小さくするために、ドライエッチングをできるだけ深く入れることになる。しかしながら、着色画素層の下地面まで入れると着色画素層の平坦面（有効面）が小さくなり、マイクロレンズ周辺からの色純度の低下した入射光が増え、画質低下につながることになる。過剰なエッチング、Ｔ４＞０．５Ｔでは、カラーフィルタ間に隙間が発生し、開口率を低下せしめることになる。また、Ｔ４＞０．５Ｔでは、図１４に示すように、着色画素を横切る光波長ｌ_３が短くなりすぎ、色純度（画質）に悪影響を与えてしまう。ゆえに、一部の着色画素層の膜厚は、Ｔ４≦０．５Ｔ２なる条件が満たされることが必要である。
なお、Ｔ４は、その下限として、０．０２Ｔ２≦Ｔ４を満たすことが好ましい。これは、ドライエッチングで樹脂をエッチングする際の分解能が０．０２程度であり、これを着色下部層のスケールに対応させると、０．０２Ｔ２程度となる。着色下部層をエッチングした場合、その削られた深さは、ドライエッチングの分解能以上、すなわち０．０２Ｔ２以上であると考えられるからである。
また、平坦化層１５は、露光波長（３６５ｎｍ）での透過率が４０％以下で、かつ、可視光領域での透過率が９０％以上の樹脂で形成する。この様な構成とするのは、第２の実施形態の固体撮像素子を形成する紫外線吸収機能を有する層の項で述べたように、着色下部層１０ｂの露光波長（３６５ｎｍ）での透過率と着色下部層１０ｂの下地である平坦化層１５の露光波長（３６５ｎｍ）での透過率が、着色下部層１０ｂの画素形状再現性に大きく影響するからである。すなわち、着色下部層１０ｂを形成する際の露光波長である紫外線（３６５ｎｍ）での反射率を低く抑えることができ、着色下部層１０ｂの３．５μｍ画素サイズ以下での画素形状再現性を良くすることができる。特に、３．５μｍ画素サイズ以下さらには、２．５μｍ画素サイズ以下、さらには２μｍ以下の固体撮像素子４０では、高い光学特性や画質確保のために、サブミクロンの領域で着色下部層１０ｂの画素サイズを制御する必要があり、着色下部層の下地として紫外線吸収機能を付与することは、この２．５μｍから２μｍの範囲でかなり顕著に画素形状改善の効果がある。
（固体撮像素子製造方法）
次に、固体撮像素子４０の製造方法について説明する。図１５Ａ乃至図１５Ｇは、固体撮像素子４０の製造方法の一実施例を工程順に示した図である。
図１５Ａに示すように、まず、光電変換素子１３及び遮断層１６等を有する半導体基板１１上に、アクリル樹脂等の透明樹脂に紫外線吸収剤を添加した樹脂溶液をスピンコート等で塗布し、加熱、硬化して所定厚の平坦化層１５を形成する。この平坦化層１５を形成するための透明樹脂としては、上記アクリル樹脂の他に、エポキシ、ポリエステル、ウレタン、メラミン、エリアなどの尿素樹脂、スチレン樹脂、フェノール樹脂あるいはこれらの共重合物等が使用可能である。
露光波長（３６５ｎｍ）での透過率を４０％以下にする手法は、紫外線吸収性化合物や紫外線吸収剤を上記透明樹脂に添加あるいはペンダント（反応型紫外線吸収剤などの形で樹脂分子鎖に組み込む）方式にて可能である。
紫外線吸収剤としては、ベンゾトリアゾール系、ベンゾフェノン系、トリアジン系、サリシレート系、クマリン系、キサンテン系あるいはメトキシケイ皮酸系有機化合物などが挙げられる。酸化セリウムや酸化チタンなどの金属酸化物微粒子の紫外線吸収剤も利用可能である。
ここで、平坦化層１５の露光波長（３６５ｎｍ）での透過率が、１０％、２０％、３０％、４０％及び５０％の平坦化層１５を作製し、各色の着色下部層１０ｂの露光波長（３６５ｎｍ）での反射率と３．５μｍ画素サイズ以下での着色下部層形状評価を行った結果を下記表１に示す。

表１に示すように、補色系着色画素（Ｃ、Ｍ、Ｙ）では、平坦化層１５の露光波長（３６５ｎｍ）での透過率が２０％以下のとき、３色とも、着色下部層形状が精度良く再現されており、原色系着色画素（Ｒ、Ｇ、Ｂ）では、４０％以下のとき、着色下部層形状が精度良く再現されている。
また、着色下部層単体（膜厚：１μｍ）の露光波長（３６５ｎｍ）での透過率を下記表２に示す。

ここで、表１及び表２の結果より、これら着色下部層の露光波長（３６５ｎｍ）での透過率と着色下部層１０ｂの下地である平坦化層１５の露光波長（３６５ｎｍ）での透過率が、着色下部層１０ｂの画素形状再現性に大きく影響していることが分かる。この傾向は、３．５μｍ画素サイズ、さらには３．０μｍ画素サイズ以下の場合に、特にその効果を有する。
次に、図１５Ｂに示すように、あらかじめ染料を内填せしめたカラーレジストをスピンコートで塗布し、着色感光層を形成し、パターン露光、現像等の一連のパターニング処理を行って、平坦化層１５上に各色の着色下部層１０ｂを形成する。
ここで、着色下部層１０ｂの厚みは、目的とする色分離に必要な膜厚で良く、特に規定するものではないが、一般的には、０．４〜１．５μｍの範囲内である。カラーレジストの樹脂、及び着色下部層１０ｂ上に形成される透明樹脂中間層４１ｂの樹脂材料は、密着力や屈折率などからアクリル系の感光性樹脂であることが望ましい。
また、染料は、カラーレジストの主溶剤に溶かし込む形でも、染料分散の形でも、あるいは、樹脂骨格に組み込む、いわゆるペンダントした形でも良い。染色槽を用いての一般的な染色方法は、工程数が増えるのでコスト観点からは好ましくない。染料を色材とするカラーフィルタは、カラーレジストの段階で０．２ないし０．１μｍの高度なフィルトレーション（異物除去）が可能であるので、１〜０．５μｍのフィルトレーションが限界の有機顔料分散タイプのカラーフィルタより、高度な画質をもつ撮像素子を提供でき、Ｓ／Ｎ比を大きく向上させた撮像素子を提供できる。
具体的な染料としては、アゾ系、キサンティニウム系、フタロシアニン系、アントラキノン系、クマリン系およびスチリル系などが挙げられる。赤、緑、青の３原色染料や、シアン、マゼンタ、イエローの補色系染料、これらにグリーンを加えたものを用いることができる。
なお、上記着色下部層１０ｂの構成材料として、あらかじめ染料を内填せしめたカラーレジストを用いたが、色材を有機顔料とした着色樹脂を採用しても良い。しかし、有機顔料の場合には、種類によって、後記するドライエッチングでのエッチングレートに差があり、色毎にレンズ形状が変化しやすいことと、その表面形状が荒れること、加えて、微細画素ピッチの撮像素子では、顔料自体の粒径（粒子）がＳ／Ｎ比に悪い影響を与えやすく、そのレジスト材料のフィルトレーション（異物除去）も難しいこと、等が挙げられるため、染料を色材とする着色樹脂であることが好ましい。
次に、図１５Ｃに示すように、熱リフロー性を有するフェノール系感光性樹脂溶液をスピンコートで塗布し、乾燥硬化させて感光性樹脂層を形成する。次に、パターン露光、現像等の一連のパターニング処理を行って、着色下部層１０ｂ上に所定膜厚の透明樹脂中間層４１ｂ及び遮断層１６上に開口部４２を有するパターン化樹脂層４３を形成する。
ここで、透明樹脂中間層４１ｂの厚み（レンズ形状でのピーク厚み）は、特に規定するものでないが、下地のカラーフィルタの凹凸を吸収できる下限の厚みは０．２μｍ以上であることが望ましい。また、透明樹脂中間層４１ｂの厚みの上限は、本固体撮像素子が微細画素ピッチを対象としていることから、１μｍであることが好ましい。
次に、図１５Ｄに示すように、熱リフロー性を有するアクリル系感光性樹脂溶液をスピンコートで塗布し、乾燥硬化させて所定厚の感光性樹脂層４４を形成する。
次に、図１５Ｅに示すように、感光性樹脂層４４をパターン露光、現像等の一連のパターニング処理を行って、着色下部層１０ｂ上にレンズパターン４４ａを形成する。
次に、図１５Ｆに示すように、レンズパターン４４ａを所定の温度で加熱リフローし、所定の曲率を有するレンズ母型４４ｂを形成する。ここで、レンズ母型４４ｂの曲率半径は０．７μｍ前後である。
次に、図１５Ｇに示すように、レンズ母型４４ｂを形成した半導体基板１１をドライエッチング装置にて、レンズ母型４４ｂ、透明樹脂中間層４１ｂ及び着色下部層１０ｂ、平坦化層１５をエッチング処理し、マイクロレンズ４１及び電気的接続パッド４５を形成する。
以上の各工程を経て、光電変換素子１３及び遮光層１６が形成された半導体基板１１上に、レンズ母型４１ａ、透明樹脂中間層４１ｂ及び着色下部層１０ｂからなるマイクロレンズ４１及び電気的接続パッド４５が形成された固体撮像素子４０を得ることができる。
なお、ドライエッチングのエッチング終点は、一部の着色下部層１０ｂの膜厚Ｔ４が着色下部層１０ｂの膜厚Ｔの１／２以下になるようにする。また、レンズ母型４１ａをドライエッチングする際レンズ母型４１ａ間の凹部が、比較的エッチングが進みやすい傾向にあり、マイクロレンズ４１の仕上がり形状を劣化させやすい。これを緩和するため、ドライエッチング前に、あらかじめ０．０５〜０．３μｍ前後の透明樹脂薄膜層でレンズ母型全体を覆うことが好ましい。この工程を挿入することにより、よりスムーズなレンズ母型転写を実施することができる。
また、マイクロレンズ４１全面に反射防止膜を設ける構成であっても良い。ドライエッチングの深さ、条件及びドライエッチングに用いることのできるガス等については、第１の実施形態で述べた通りである。
（製造方法の実施例）
次に、本固体撮像素子４０の製造方法の実施例について、図１５Ａ乃至図１５Ｇを参照しながら詳細に説明する。
まず、図１５Ａに示すように、光電変換素子１３、遮光層１６、パッシベーション等を形成した半導体基板１１上に、熱硬化タイプのアクリル樹脂等に紫外線吸収剤を添加した樹脂溶液をスピンコート等で塗布し、加熱、硬化して０．６μｍ厚の平坦化層１５を形成する。ここで、０．６μｍ厚の平坦化層１５の露光波長（３６５ｎｍ）での透過率は４０％である。
次に、アクリル系樹脂に、カラーインデックスにて、Ｃ．Ｉ．Ａｃｉｄ Ｒｅｄ １１４、Ｃ．Ｉ．Ａｃｉｄ Ｇｒｅｅｎ １６、Ｃ．Ｉ．Ａｃｉｄ Ｂｌｕｅ ８６の染料を中心とする色材を混入し、シクロヘキサノン溶剤とともにフォレジスト化したＲ、Ｇ、Ｂ各色のアクリル系カラーレジストを作製する。色材の添加量は、それぞれレジスト中の固形比（ポリマー、モノマー、色材等の合計）にて、約２０重量％とする。
次に、図１５Ｂに示すように、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のアクリル系カラーレジストを用いて、着色感光層の形成、パターン露光、現像等のパターニング処理を３回繰り返して、Ｒ、Ｇ、Ｂからなる１．２μｍ厚の着色下部層１０ｂを形成する。ここで、各色着色感光層の形成はスピンコートにて、パターン露光は、露光波長（３６５ｎｍ）を用いたステッパー露光機を使用する。
次に、図１５Ｃに示すように、紫外線３６５ｎｍに感度を持つ感光性・熱硬化タイプのフェノール系樹脂溶液液を用いてスピンコートにて塗布し、乾燥硬化させて感光性樹脂層を形成する。その後、パターン露光、現像等の一連のパターニング処理を行って、着色下部層１０ｂ上に０．４μｍ厚の透明樹脂中間層４１ｂ及び遮光層１６上に開口部４２を有するパターン化樹脂層４３を形成する。
次に、図１５Ｄに示すように、熱リフロー性を有するアクリル系感光性樹脂溶液をスピンコートで塗布し、乾燥硬化させて所定厚の感光性樹脂層４４を形成する。さらに図１５Ｅに示すように、感光性樹脂層４４をパターン露光、現像等の一連のパターニング処理を行って、着色下部層１０ｂ上にレンズパターン４４ａを形成する。
次に、図１５Ｆに示すように、レンズパターン４４ａを１９０℃の温度で加熱リフローし、約０．７μｍの曲率を有するレンズ母型４４ｂを形成する。
次に、レンズ母型４４ｂを形成した半導体基板１１を、ドライエッチング装置にて、Ｏ_２ガスによるエッチング処理を行う。このエッチング処理は、例えば基板温度常温、圧力５Ｐａ、ＲＦパワー５００Ｗ、バイアス１００Ｗにて実行する。
以上の各工程を経て、図１５Ｇにしめすように、光電変換素子１３及び遮光層１６が形成された半導体基板上に、レンズ母型４１ａ、透明樹脂中間層４１ｂ及び着色下部層１０ｂからなるマイクロレンズ４１及び遮断層１６が形成された固体撮像素子４０を得ることができる。
なお、発明者らの実験によれば、着色下部層１０ｂの膜厚Ｔ２が０．７μｍであったのに対し、着色下部層１０ｂの一部（マイクロレンズ４１の曲面を形成する部分）の膜厚Ｔ４は、０．３μｍであった。また、本固体撮像素子４０のレンズ下距離は約２．１μｍとなり、従来の固体撮像素子のレンズ下距離５．５μｍに比べて半分以下のレンズ下距離を実現できた。
以上述べた本実施形態に係る固体撮像素子４０及びその製造方法によれば、少なくとも次の何れかの効果を得ることができる。
第１に、レンズ下距離を大幅に小さくすることができ、入射光の集光効果が一段と向上する共に、ノイズ光の斜め入射を大幅に低減できるため、固体撮像素子の画質を高めることができる。
第２に、画素の微細化に伴うレンズ薄膜化（ないし、工程途中ではレンズ母型の薄膜化）を緩和でき、０．５μｍ以上の厚みの、製造に無理のないマイクロレンズ厚みにて、固体撮像素子を提供できるようになる。
第３に、着色下部層１０ｂの一部をエッチングしてレンズ形状とするため、有色マイクロレンズを用いた場合の中央部と周辺部の入射光の色の差をなくし、高画質の固体撮像素子を提供できる。同時に、着色下部層１０ｂの厚み方向の途中でエッチングを止めるため、エッチングがその厚み方向に多少ばらついても色や集光への影響を少なくすることができる。
第４に、マイクロレンズ４１間の凹部が着色しているため、凹部からの反射光成分を減らす効果もあり、さらなる画質改善につなげることができる。
第５に、固体撮像素子製造方法によれば、従来の電気的接続パッドの肌だしにおける複雑な工程を省略でき、ドライエッチングのみの簡素な工程で電気的接続パッドを有する固体撮像素子を作製することができる。
（第５の実施形態）
図１６は、第５の実施形態に係る固体撮像素子５０の一例のマイクロレンズ側からの上面図であり、ベイヤー配列における着色下部層及びマイクロレンズの二次元（平面）的な配列を示した図である。また、図１７は、図１６におけるＢ−Ｂに沿った断面図を示している。図１８は、図１６におけるＡ−Ａに沿った断面図を示している。まず、固体撮像素子５０の構成を、図１６乃至図１８を参照しながら説明する。
各図に示すように、固体撮像素子５０は、略半球形状のマイクロレンズ５１、半導体基板１１、光電変換素子１３、平坦化層１５、遮光層１６、非開口部層５２を具備している。マイクロレンズ５１は、フッ素系アクリル樹脂からなる透明樹脂上部層１０ａ、着色下部層１０ｂを有している。
非開口部層５２は、フッ素系アクリル樹脂その他の屈折率の低い透明樹脂材料（低屈折率樹脂）からなり、着色下部層１０ｂ上面上の、マイクロレンズ５１間の非開口部２５に形成される薄膜である。本固体撮像素子５０は、マイクロレンズ５１及び非開口部層５２は、を低屈折率樹脂であるフッ素系アクリル樹脂で形成することで、マイクロレンズからの反射光を軽減するものである。また、着色下部層１０ｂは色材（顔料や染料）を含むことから、光学的にその屈折率は高くなりやすい。故に、非開口部層５２を形成するための透明樹脂薄膜の膜厚は、着色下部層１０ｂと低屈折率樹脂にて光干渉による反射防止効果を得やすい厚さに塗布形成することが好ましい。このことによって、非開口部２５からの反射光の影響を軽減し、再入射光による画質低下を防ぐことができる。
また、本固体撮像素子５０は、マイクロレンズ５１及び非開口部層５２を耐熱性樹脂であるフッ素系アクリル樹脂で形成することで、耐熱性の改善を図っている。フッ素系アクリル樹脂を用いることにより、２５０℃・１時間程度の熱処理にてもマイクロレンズには変色がみられない。
透明樹脂上部層１０ａの厚みＴ１、及び着色下部層１０ｂの厚みＴ２に関するこのましい条件は、第１の実施形態で述べた透明樹脂上部層１０ａ及び着色下部層１０ｂの条件と同様である。
一般に、半径ｒのレンズの焦点距離ｆは、既述の数式（１）で表される。例えば、屈折率ｎ１＝１．６１のレンズは、空気媒体（屈折率ｎ０＝１）において２．６４ｒの焦点距離を持つことになる。既に説明した様に、０．４μｍ以下の膜厚の半球状のマイクロレンズ形成は難しい。しかし、本実施形態の如く、屈折率を１．５以下、好ましくは１．４５〜１．４０の範囲の低屈折率の透明樹脂を用いてマイクロレンズを形成すれば、厚み０．５μｍ以上の半球状のマイクロレンズを安定して形成できることになる。例えば、屈折率１．４３の透明なフッ素系アクリル樹脂を用いれば、０．４μｍ膜厚を１．２５倍の０．５μｍの膜厚で形成することができる。
また、フッ素系アクリル樹脂は、低屈折率、且つ高い透過率（反射率は凡そ２％低い）の樹脂である。この透過率は、例えば、前記フェノール樹脂を骨格とした、屈折率１．６〜１．７の高屈折率樹脂の透過率より高い透過率である。特に、可視領域の短波長側の透過率が、高屈折率樹脂よりも高い。フッ素系アクリル樹脂が高い透過率を有することは、ＣＣＤ、Ｃ−ＭＯＳの固体撮像素子の感度向上、画質向上に有効である。
（製造方法の実施例）
次に、本固体撮像素子５０の製造方法の実施例について、図１８、図１９Ａ乃至図１９Ｃを参照しながら詳細に説明する。図１９Ａ乃至図１９Ｃは、本固体撮像素子５の製造工程を説明するための、図１６におけるＢ−Ｂに沿った断面図である。本実施例に係る固体撮像素子５０は、図１８に示すように、半導体基板１１上に光電変換素子１３、着色下部層１０ｂ、フッ素系アクリル樹脂からなる透明樹脂上部層１０ａとからなるマイクロレンズ５１が形成されたものである。
本実施例においては、着色下部層１０ｂ、平坦化層１５の樹脂材料は、光の波長５５０ｎｍの屈折率が１．５１〜１．５５の範囲の、ほぼ同じ屈折率をもつアクリル樹脂を用いる。透明樹脂上部層１０ａは、屈折率が１．４５の日本化薬（株）製、フッ素系アクリル樹脂を用いる。また、着色下部層１０ｂは、これに含まれる色材の関係で正確な屈折率測定が比較的難しいが、Ｒ（赤）の７００ｎｍでの屈折率は、１．６１である（Ｒ（赤）は、５５０ｎｍ緑の光の吸収が大きいため、５５０ｎｍでの正確な屈折率測定が困難である）。
さらに、着色下部層１０ｂは、樹脂中に分散された色材の影響で母材樹脂と異なる屈折率（高屈折率側にシフトする）となる。本実施例の色配列は、図１６に示すように、一画素を２つのＧ（緑）とＲ、Ｂ（青）との合計４素子で構成する、いわゆるベイヤー配列としている。なお、着色下部層１０ｂのＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）は、それぞれ有機顔料を色材とする東洋インキ製造（株）の感光性着色レジストを用いることができる。
図１９Ａ乃至図１９Ｃは、固体撮像素子５０の製造方法を説明するための図である。図１９Ａに示すように、光電変換素子１３や遮断層１６、パッシベーションを形成した半導体基板１１上に、平坦化層１５を熱硬化タイプのアクリル樹脂塗布液を用いてスピンコートで形成する。さらに、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のそれぞれの感光性着色レジストを用い、３回のフォトリソグラフィで着色下部層１０ｂを形成する。Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のそれぞれの感光性着色レジストは、スピンコートの手法で塗布し、露光はステッパー露光機を用いる。
次に、図１９Ｂに示すように、着色下部層１０ｂのＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の上に、熱硬化タイプのフッ素系アクリル樹脂塗布液（日本化薬（株）製）を用いてスピンコートにて、透明樹脂上部層１０ａを形成する。
透明樹脂上部層１０ａ上に、さらに熱フロー性をもつ感光性アクリル系樹脂を、おなじくスピンコートで塗布し、露光、現像、さらに熱フローさせて半球状のレンズ母型１９を生成する。このとき、熱フロー処理時の温度は例えば２００℃とする。
次に、レンズ母型１９を形成した半導体基板１１を、ドライエッチング装置にて、Ｏ_２ガスによるエッチング処理を行う。このエッチング処理は、基板温度常温、圧力１．２Ｐａ、ＲＦパワー５００Ｗ、バイアス２００Ｗにて実行する。
最後に、マイクロレンズ５１間の非開口部２５には、およそ０．１μｍの透明樹脂（フッ素系アクリル樹脂）が残るようにエッチング処理を実施し、図１９Ｃに示す固体撮像素子５０を得ることができる。
図１６及び図１７に、固体撮像素子５０の非開口部２５が示されている。非開口部２５には、比較的屈折率の高いカラーフィルタが下地として形成されており、この面に低屈折率樹脂であるフッ素系アクリル樹脂がおよそ０．１μｍの厚みで積層されている。この低屈折率樹脂の薄膜による光干渉効果と、カラーフィルタの光吸収もあり、非開口部２５からの再反射光を大きく軽減することができる。
また、発明者らの実験によれば、本実施例によって得られた固体撮像素子５０の透明樹脂上部層１０ａのピーク厚み（着色下部層１０ｂとの界面からレンズ中央部までの高さ）Ｔ１は０．９μｍ、非開口部層５２の厚みＴ６は０．１μｍであり、マイクロレンズの厚みＴ５は透明樹脂上部層１０ａの厚みＴ１から非開口部層５２の厚みＴ６を差し引いた０．８μｍであった。また、着色下部層１０ｂのみの厚さＴ７は０．８μｍであった。さらに、レンズ下距離は、約３．３μｍとなり、従来５．５μｍと比較して６０％と極めて小さくすることができた。なお、当実施例では、マイクロレンズのピッチは、３．５μｍ、レンズ間のギャップは０．３μｍとした。
また、本実施例に係る固体撮像素子５０と、比較のために高屈折率（屈折率１．６）をレンズ材料を用いた従来の固体撮像素子の反射光の状況を、積分球と変角ゴニオメーター（いずれも村上色彩（株）製）にて測定比較した。ここで、積分球は素子全面、全体での反射光の量の多寡をみるものであり、また、変角ゴニオメーターは、入射光（平行光）に対して受光部の角度を振って、変角での（局所的な）反射光の状態を調べるものである。
本実施例に係る固体撮像素子５０は、積分球では、従来と比較して可視光全波長域で、２〜３％反射率が低下した。変角ゴニオメーターでは、ほぼ正反射方向の−５度入射で、＋５度から＋２０度まで受光素子を変角させたが、反射光の強度値で、本固体撮像素子５０が従来の半分以下と低い反射光強度値であった。
なお、本実施例に於いては、撮像素子５０のパッド部（電気的接続部）の肌だし工程の説明を省略した。また、低屈折率樹脂をアルカリ可溶性の感光性樹脂の形で用いれば、露光、現像工程にてパッド部肌だし工程と置き換えが可能である。
以上述べた本実施形態に係る固体撮像素子５０及びその製造方法によれば、少なくとも次の何れかの効果を得ることができる。
第１に、マイクロレンズ間の非開口部、及びマイクロレンズの表面からの反射光を極力低減させ、Ｓ／Ｎ比を改善し、画質を向上さることができる。本固体撮像素子は、着色下部層面上にフッ素系アクリル樹脂からなる透明樹脂上部層が形成され、マイクロレンズ間の非開口部にフッ素系アクリル樹脂の非開口部層が形成されており、当該マイクロレンズでの反射を防止することができるからである。
第２に、レンズ下距離を小さくする一方で、実質的なレンズ厚みを前記０．５μｍ〜０．３μｍから０．５μｍ以上のものとすることができる。従って、３μｍ以下といった画素ピッチの小さな撮像素子上へのマイクロレンズの加工を容易にすることができる。
第３に、透明樹脂上部層や非開口部層をフッ素系アクリル樹脂によって形成しているので、従来に比して、更に厳しい処理条件に適応できる耐熱性を実現することができる。

以上述べた固体撮像素子。及びその製造方法によれば、レンズ下距離を小さくし、集光性、Ｓ／Ｎ比の改善を図ること、マイクロレンズの実質的な厚みを０．５μｍ以上とすること、有色レンズにおける色純度の低下を抑制し、開口率を向上させることができる。

Claims (35)

1. 二次元的に配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子のそれぞれを被覆する複数の略半球形状のマイクロレンズと、を具備する固体撮像素子であって、
   前記マイクロレンズは、
   前記略半球形状の少なくとも一部を形成する透明樹脂上部層と、
   前記透明樹脂上部層の前記光電変換素子側に設けられ、当該透明樹脂上部層との界面が前記光電変換素子の表面に沿った形状を有する、着色下部層と、
   を少なくとも有する多層構造レンズである固体撮像素子。
2. 前記透明樹脂上部層と前記着色下部層との前記界面は、平坦である請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記着色下部層の一部は、前記略半球形状の少なくとも一部を形成する請求項１記載の固体撮像素子。
4. 前記着色下部層は、染料を色材とした着色樹脂層である請求項１記載の固体撮像素子。
5. 複数の前記着色下部層の厚みの差は０．３μｍ以内である請求項１記載の固体撮像素子。
6. 前記透明樹脂上部層の屈折率は、前記着色下部層の屈折率と同じか、或いはそれ以下である請求項１記載の固体撮像素子。
7. 前記マイクロレンズと前記光電変換素子との間に設けられた平坦化層をさらに具備し、
   前記マイクロレンズ又は前記平坦化層の少なくとも一方は、赤外線吸収機能を有する請求項１記載の固体撮像素子。
8. 前記平坦化層と前記着色下部層との間に設けられた紫外線吸収層をさらに具備する請求項７記載の固体撮像素子。
9. 前記平坦化層は紫外線吸収機能を有する請求項８記載の固体撮像素子。
10. 前記マイクロレンズは、前記透明樹脂上部層の上に設けられ前記略半球形状の少なくとも一部を形成するレンズ母型をさらに具備する請求項３記載の固体撮像素子。
11. 前記着色下部層の膜厚Ｔから前記着色下部層の一部の厚さＴ１を引いた値は０．４μｍ以上である請求項３記載の固体撮像素子。
12. 前記略半球形状の少なくとも一部を形成する前記着色下部層の一部の厚さＴ１は、当該前記着色下部層の膜厚をＴとした場合、０．０２Ｔ≦Ｔ１≦０．５Ｔを満たす請求項１０記載の固体撮像素子。
13. 前記平坦化層の材料は、露光波長の透過率が４０％以下で、且つ可視光領域で９０％以上の透過率を有する樹脂である請求項１記載の固体撮像素子。
14. 前記透明樹脂上部層の屈折率は着色下部層の屈折率よりも低い請求項３記載の固体撮像素子。
15. 前記着色下部層の屈折率よりも低い屈折率を有し前記略半球形状の少なくとも一部を形成する、前記着色下部層の一部を被覆する外側樹脂層をさらに具備する請求項１４記載の固体撮像素子。
16. 前記透明樹脂上部層は、フッ素系アクリル樹脂からなる請求項１４記載の固体撮像素子。
17. 前記複数のマイクロレンズ間に存在する非開口部を被覆する非開口部層をさらに具備し、
    前記透明樹脂上部層又は前記薄膜の少なくとも一方は、フッ素系アクリル樹脂からなる請求項１記載の固体撮像素子。
18. 二次元的に配置された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子のそれぞれを被覆する複数の略半球形状のマイクロレンズと、を具備する固体撮像素子製造方法であって、
    半導体基板に二次元的に配置された複数の光電変換素子上に平坦化層を形成し、
    前記平坦化層上に、色素を色材とした感光性着色レジストを用いて、フォトリソグラフィによって複数色の着色下部層を形成し、
    前記複数色の着色下部層上に、第一樹脂塗布液を塗布することで透明樹脂上部層を形成し、
    アルカリ可溶性、感光性、及び熱フロー性を有するレンズ材料を用いて、前記透明樹脂上部層上に、フォトリソグラフィ及び熱処理によってレンズ母型を形成し、
    前記レンズ母型上にドライエッチングを行い、少なくとも前記透明樹脂上部層に前記レンズ母型パターンを転写し、少なくとも前記透明樹脂上部層と前記着色下部層とを有する前記マイクロレンズを形成すること、
    を具備する固体撮像素子製造方法。
19. 前記レンズ母型を形成した後、前記レンズ母型の２次元配列の全面を覆うように透明樹脂薄膜層を形成することをさらに具備する請求項１８記載の固体撮像素子製造方法。
20. 前記レンズ母型パターンの転写における前記ドライエッチングの深さは、前記着色下部層の厚さ方向に対して一部までとする請求項１９記載の固体撮像素子製造方法。
21. 前記ドライエッチングに用いられるガスは、フロン系ガスであるＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＨＦ_３、Ｃ_２ＨＦ_５のうちの少なくとも一つを含むガスである請求項１８記載の固体撮像素子製造方法。
22. 前記色素は、染料である請求項１８記載の固体撮像素子製造方法。
23. 前記平坦化層の形成においては、赤外線吸収機能をもつ樹脂塗布液を用いることで、前記平坦化層に赤外線吸収機能をもたせた請求項１８記載の固体撮像素子製造方法。
24. 前記透明樹脂上部層の形成においては、赤外線吸収機能をもつ樹脂塗布液を用いることで、前記透明樹脂上部層に赤外線吸収機能をもたせた請求項１８記載の固体撮像素子製造方法。
25. 前記樹脂塗布液は、赤外線吸収波長域の異なる複数の赤外線吸収剤を含有する請求項２３又は２４記載の固体撮像素子製造方法。
26. 前記透明樹脂上部層の形成と前記レンズ母型の形成との間に、紫外線吸収層を塗布によって形成することをさらに具備する請求項１８記載の固体撮像素子製造方法。
27. 少なくとも前記透明樹脂上部層に前記レンズ母型パターンを転写した後、前記マイクロレンズ上に赤外線吸収層の薄膜を塗布によって積層することをさらに具備する請求項１８記載の固体撮像素子製造方法。
28. 前記マイクロレンズの最外層に、低屈折率樹脂の薄膜を積層することをさらに具備する請求項１８記載の固体撮像素子製造方法。
29. 前記平坦化層の材料に、露光波長の透過率が４０％以下で、かつ、可視光領域で９０％以上の透過率を有する樹脂を用いた請求項１８記載の固体撮像素子製造方法。
30. 前記透明樹脂上部層の屈折率は着色下部層の屈折率よりも低い請求項１８記載の固体撮像素子製造方法。
31. 前記レンズ母型パターンを転写した後、前記マイクロレンズの全面を覆うように、第二樹脂塗布液を用いて着色下部層の屈折率よりも低い屈折率を有する透明樹脂の薄膜を形成することをさらに具備する請求項１８記載の固体撮像素子製造方法。
32. 前記第一樹脂塗布液又は前記第二樹脂塗布液の少なくとも一方は、フッ素系アクリル樹脂を含有する樹脂塗布液である請求項３１記載の固体撮像素子製造方法。
33. 前記透明樹脂上部層を形成した後、前記レンズ母型を形成する代わりに、前記透明樹脂上部層上に、熱フロー性を有する感光性樹脂溶液を用いて感光層を形成し、前記感光層に少なくともパターン露光、現像を含むパターニング処理を行ってレンズパターンを形成し、熱フローさせ、アレー状に配置された受光素子のそれぞれの位置に略半球状のレンズ母型を形成することをさらに具備し、
    前記レンズ母型パターンの転写においては、少なくとも前記透明樹脂上部層及び前記レンズ母型とに前記レンズ母型パターンを転写する請求項１８記載の固体撮像素子製造方法。
34. 前記複数のマイクロレンズ間に存在する非開口部を被覆する、フッ素系アクリル樹脂の薄膜を形成することをさらに具備する請求項１８記載の固体撮像素子製造方法。
35. 前記第一樹脂塗布液はフッ素系アクリル樹脂であり、
    前記レンズ母型上へのドライエッチングは、前記透明樹脂層へレンズ母型パターンを転写し、前記複数色の着色下部層の前記透明樹脂層をマイクロレンズとし、マイクロレンズ間の非開口部に前記フッ素系アクリル樹脂からなる非開口部層を形成すること、
    を具備する請求項１８記載の固体撮像素子製造方法。

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