JP2000183322A - カラー固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体撮像素子のカラーフィルタの紫外線によ
る退色を防止する。 【解決手段】 撮像領域上にカラーフィルタ１０を介し
てマイクロレンズ１２が設けられたカラー固体撮像素子
１であって、マイクロレンズ１２が下地のカラーフィル
タ１０を退色させない程度の紫外線吸収剤を含有して成
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、監視カメ
ラ、ビデオカメラ等に用いられるカラー固体撮像素子及
びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】監視カメラ，ビデオカメラ等、屋内，屋
外で用いられる撮影機等には、カラー固体撮像素子（Ｃ
ＣＤ）が多く用いられており、素子の撮像領域上に光を
集光するためのマイクロレンズ（いわゆるオンチップマ
イクロレンズ）を形成した構成が採られている。

【０００３】近年、特に長時間，連続して撮像するよう
な監視カメラ等の用途では、耐光性に優れた固体撮像素
子が要求される。しかし、固体撮像素子用カラーフィル
ターは、紫外線に対する耐光性が弱いため、太陽光線や
蛍光灯などに長時間曝されると退色し、本来の色が再現
されなくなってしまう。

【０００４】従来は、カラーフィルターの耐光性を改善
するために、カラーフィルター上に紫外線吸収効果のあ
る保護膜を設けた固体撮像素子が提案されている。図１
０に、従来の紫外線吸収効果のある保護膜を有したＣＣ
Ｄ固体撮像素子の一例を示す。

【０００５】このＣＣＤ固体撮像素子３０は、受光部５
１を構成する電荷蓄積領域、ＣＣＤ垂直転送レジスタ５
２を構成する転送チャネル領域、読み出しゲート部５３
を構成する半導体領域、チャネルストップ領域５４を構
成する半導体領域等を形成した半導体基板３２上に、そ
の転送チャネル領域、読み出しゲート領域及びチャネル
ストップ領域に亘ってゲート絶縁膜３４を介して転送電
極３５が形成され、転送電極３５を覆って層間絶縁膜３
６、受光部５１を除く遮光膜３７が順次形成され、遮光
膜３７を覆って全面的にパッシベーション膜３８が形成
されてなる。

【０００６】パッシベーション膜３８の上には、平坦化
層３９を介して、カラー色フィルタ４０が形成される。
この例のカラー色フィルタ４０は、４色、即ち、シアン
色、イエロー色、マゼンタ色、グリーン色の４色からな
り、グリーン色はシアン色とイエロー色の２色で形成さ
れる。図９の断面では、マゼンタフィルタ４０Ｍと、シ
アンフィルタ４０Ｃ及びイエローフィルタ４０Ｙを重ね
て得られるグリーンフィルタ４０Ｇとの繰り返しが表れ
ている。

【０００７】これらカラーフィルタ４０上に、さらに平
坦化層４６を介して紫外線吸収効果のある保護膜，いわ
ゆる紫外線吸収層４５が形成され、この紫外線吸収層４
５上に、マイクロレンズ４２が形成されて成る。このＣ
ＣＤ固体撮像素子３０では、オンチップマイクロレンズ
４２を透過する光の内、紫外線が紫外線吸収層４５で吸
収されるので、下地のカラーフィルタ４０の退色が回避
される。

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ＣＣＤ固体撮像素子３０においては、この紫外線吸収層
４５を形成する際、目的に合わせた専用の材料を必要と
し、さらに、この紫外線吸収層４５を形成するための工
程数を増やさなければならず生産性が極めて悪い。

【０００８】また、保護膜としての効果を持たせるため
には、約１μｍ以上の層を形成する必要があり、センサ
ー（受光部）５１からマイクロレンズ４２までの層厚が
厚くなり、特にマイクロレンズ４２の周辺部から斜めに
入射する光の光路が変わって集光効率が低下するという
問題がある。

【０００９】本発明は、カラーフィルタの分光特性及び
マイクロレンズの集光状態を損なうことなく、耐光性に
優れたカラー固体撮像素子及びその製造方法を提供する
ものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るカラー固体
撮像素子は、撮像領域上にカラーフィルタを介してマイ
クロレンズが設けられたカラー固体撮像素子であって、
マイクロレンズが下地のカラーフィルタを退色させない
程度の紫外線吸収剤を含有して成る。

【００１１】本発明のカラー固体撮像素子によれば、マ
イクロレンズ自体に紫外線吸収効果を持たせているの
で、紫外線によりカラーフィルターが退色することが少
なくなり、固体撮像素子の耐光性寿命が著しく改善され
る。また、マイクロレンズの分光特性及び集光状態が損
なわれることがない。

【００１２】本発明に係るカラー固体撮像素子の製造方
法は、撮像領域のカラーフィルタ上に紫外線吸収剤を含
有した透明樹脂層を形成する工程と、透明樹脂層を光硬
化する工程と、透明樹脂層上にマイクロレンズ形状のレ
ジストパターンを形成する工程と、レジストパターンを
介して、透明樹脂層をエッチバックして透明樹脂層によ
るマイクロレンズを形成する工程と、少なくともボンデ
ィングパッド部上の透明樹脂層を除去する工程とを有す
る。

【００１３】本発明のカラー固体撮像素子の製造方法に
よれば、紫外線防止層を設ける必要がないので、工程が
簡単となり、カラーフィルターの退色を防止したカラー
固体撮像素子の製造を容易にすることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
カラー固体撮像素子及びその製造方法の実施の形態を説
明する。図１は、本発明の一実施の形態に係るＣＣＤ固
体撮像素子の要部の断面構成を示す。

【００１５】本実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子１
は、受光部２１を構成する電荷蓄積領域、ＣＣＤ垂直転
送レジスタ２２を構成する転送チャネル領域、読み出し
ゲート部２３を構成する半導体領域、チャネルストップ
領域２４を構成する半導体領域等を形成した半導体基板
２上に、その転送チャネル領域、読み出しゲート領域及
びチャネルストップ領域に亘ってゲート絶縁膜４を介し
て転送電極５が形成され、転送電極５を覆って層間絶縁
膜６、受光部２１を除く遮光膜７が順次形成され、遮光
膜７を覆って全面的にパッシベーション膜８が形成され
てなる。

【００１６】パッシベーション膜８の上には、平坦化層
９を介して、カラーフィルタ１０が形成される。カラー
フィルター１０を形成するための平坦化層９は、アクリ
ル系の熱硬化樹脂からなる。

【００１７】カラーフィルタ１０は、ゼラチンをパター
ンして染色するフォトレジスト工程による、０ＣＣＦ
（On Chip Color Filter）法により形成される。

【００１８】カラーフィルタ１０は、例えば、図８に示
すように、シアン色（Ｃｙ）、イエロー色（Ｙｅ）、マ
ゼンタ色（Ｍｇ）、グリーン色（Ｇ）の４色を補色市松
模様に配列したものが信号処理に便利なために多く用い
られており、グリーン色は、シアン色とイエロー色の２
色を複合して形成される。

【００１９】図１の断面図は、図８のＡ−Ａ部の補色市
松模様の配置を示したもので、マゼンタフィルタ１０Ｍ
と、シアンフィルタ１０Ｃ及びイエローフィルタ１０Ｙ
を重ねて得られるグリーンフィルタ１０Ｇとの繰り返し
が表示されている。

【００２０】本実施の形態においては、カラーフィルタ
１０上に後述する紫外線吸収剤を含有したマイクロレン
ズ、いわゆるオンチップマイクロレンズ１２が形成され
る。このマイクロレンズ１２は、カラーフィルタ１０を
覆って、形成した紫外線吸収剤を含有した透明樹脂層１
１の表面に、半球面を形成して構成される。

【００２１】図１中の左端に示すように、固体撮像素子
１の周辺上には、外部端子との接続に共される金属細線
をボンディングする為のボンディングパッド１３が形成
される。このボンディングパッド１３は、パッシベーシ
ョン膜８、平坦化膜９及び透明樹脂層１１に形成した開
口１４を通して外部に露出している。

【００２２】上記マイクロレンズ１２を構成する透明樹
脂層１１は、可視光に対して吸収がなく、遠紫外線に対
して感光性を有するネガ型レジスト系樹脂に紫外線吸収
剤を含有したもので形成される。

【００２３】このような透明樹脂としては、例えば、次
の化１に示す一般的な化学構造式を有するスチレン−ク
ロロメチルスチレンの共重合体により形成されたネガ型
レジスト系の感光性透明樹脂が好適である。この透明樹
脂をカラーフィルタ１０上に塗布した後、Deep ＵＶ
（遠紫外線）露光装置等により全面露光させて、適当な
硬度として用いる。

【００２４】

【化１】

【００２５】後記するマイクロレンズ１２の形状を完全
に転写するためには、透明樹脂層１１を３〜５μｍ程度
とかなり厚く形成する必要があり、開口部等の段差上に
ポジ型レジストをスピンコートする場合、段差部から筋
状のムラが発生しやすく、固体撮像素子の感度ムラ不良
の原因となるが、上記スチレン−クロロメチルスチレン
共重合を用いた場合においては、この塗布ムラが発生し
にくい。

【００２６】上記透明樹脂層１１を構成するスチレン−
クロロメチルスチレン共重合体の重量平均分子量（Ｍ
ｗ）は、好ましくは２万〜２０万とする。２万未満では
実用的な感度が得られず、一方２０万を超えると現像性
が著しく悪化する。また、共重合体の分散度（Ｍｗ／Ｍ
ｎ、Ｍｎは数平均分子量）は、２以上５以下が好まし
い。

【００２７】共重合体の分散度を２未満にするには、過
度の精製を必要とし、工業的に不利である。またパター
ンのエッジの裾引きが小さくなり、エッジが立ってくる
ことにより、後に形成するポジ型レジストの塗布ムラの
原因となる。一方、分散度が５を超えると、露光不足に
よる現像時のしわの発生と、露光温度によるパターン残
りとによって、適正な露光範囲のマージンがなくなって
しまう。

【００２８】さらに、本発明に用いる共重合体におい
て、クロロメチルスチレンの割合（モル比）は、５〜３
５％が好ましい。５％未満では感光基不足のため、また
３５％を超えると露光波長の透過率が低下し、共に実用
的な感度が得られない。

【００２９】本発明では、このような透明樹脂層１１に
紫外線吸収剤を含有させる。紫外線吸収剤は、紫外線
（２００〜３８０ｎｍ）の吸収が大きく可視光領域（３
８０〜７８０ｎｍ）に吸収のないものであって、前記カ
ラーフィルタを退色させないものであれば、光特性の面
からは少ないほど好ましい。

【００３０】紫外線吸収剤としては、ベンゾフェノン
系，ベンゾトリアゾール系のいずれの紫外線吸収剤であ
ってもよい。ベンゾフェノン系紫外線吸収剤としては、
２−ヒドロキシ−４−メトキシベンゾフェノンなどが挙
げられ、ベンゾトリアゾール系としては、２−（２’−
ヒドロキシ−５’−メチルフェニル）−ベンゾトリアゾ
ールなどが挙げられる。

【００３１】このような構成からなる本発明の固体撮像
素子１は、マイクロレンズ１２を形成する透明樹脂層１
１に、紫外線吸収剤が含有されているので、自然光、蛍
光灯等から発生する紫外線によるカラーフィルタの退色
を防止する事ができ、固体撮像素子の品質寿命を大幅に
延長する事が可能となる。マイクロレンズ１２は、後述
の製法により透明樹脂層１１をエッチバックして作られ
るため、図１では、実質的なマイクロレンズ１２とカラ
ーフィルタ１０間に、所定の厚さｔの透明樹脂層１１が
形成される。

【００３２】従って、この厚さｔの透明樹脂層１１を前
述の従来の紫外線吸収層４５に対応させてみると、本実
施の形態の固体撮像素子１においては、マイクロレンズ
１２による紫外線吸収と厚さｔの透明樹脂層１１の部分
での紫外線吸収とが加算され、前述の従来の固体撮像素
子３０に比べて、より紫外線吸収効果が大きくなり、耐
光性が向上する。

【００３３】また、従来のように、紫外線吸収層を別に
設ける必要もないので、マイクロレンズ１２と受光部２
１間の距離が短くなり、マイクロレンズ１２の集光状態
が損なわれない。さらに、マイクロレンズ１２の集光特
性を特別に変える必要もなく、可視光の透過を損なうこ
ともない。

【００３４】次に、図２〜図６を用いて、本発明の固体
撮像素子の製造方法の一実施の形態を説明する。図２に
示すように、半導体ウエ ーハ、即ち、各撮像素子に対応
する領域に撮像素子を構成する。各半導体領域が形成さ
れた半導体基板２の主面上にゲート絶縁膜４を介して転
送電極５を形成した後に、層間絶縁膜６を介して、遮光
膜７及びボンディングパッド１３を、例えばアルミ膜に
より形成し、それらの上面を覆ってパッシベーション膜
８、例えばプラズマＣＶＤ法で形成したＳｉＮ膜を形成
する。

【００３５】さらに、パッシベーション膜８上に、カラ
ーフィルタを形成するために、アクリル系の熱硬化性樹
脂からなる平坦化膜９を形成し、次に、カゼインをパタ
ーンして染色するフォトレジスト工程による、０ＣＣＦ
（On Chip Color Filter）法によりカラーフィルタ、例
えば、第４図に示すような、シアン、マゼンタ、イエロ
ー、グリーンの４色を平面に補色市松模様に配列したカ
ラーフィルタ１０を形成する。

【００３６】そして、半導体ウエ ーハを各チップに切断
するために、スクライブライン部１５上の平坦化膜９，
パッシベーション膜８，遮光膜７及び層間絶縁膜６を除
去する。この際ゲート絶縁膜４も除去され、半導体基板
２の表面も一部削られる。

【００３７】次に、図２に示すように、カラーフィルタ
１０上を覆って、透明樹脂層１１を形成する。このと
き、ボンディングパッド１３及びスクライブライン１５
上の透明樹脂層１１には、開口１４，１６を形成するた
めのパターンエッチングが行われる。

【００３８】本実施の形態では、透明樹脂層１１を形成
する感光性透明樹脂として、例えば、スチレン／ｐ−ク
ロロメチルスチレン（モル比６５：３５）からなる共重
合体であって、重量平均分子量（Ｍｗ）＝１８８，００
０、分散度（Ｍｗ／Ｍｎ）＝２．５の共重合体を用い
る。

【００３９】この共重合体には、紫外線吸収剤として２
−（２’−ヒドロキシ−５’−メチルフェニル）−ベン
ゾトリアゾールを添加し、溶媒としては、ＰＧＭＥＡ
（プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテー
ト），ＥＣＡ（エチルセロソルブアセテート），ＭＭＰ
（メチル−３−メトキシプロピオネート），キシレン等
が適している。

【００４０】共重合体に溶媒を加えて溶解し、上記紫外
線吸収剤を充分に混和させた後、スピンコート等の方法
により塗布した後、溶媒を加熱除去することにより、前
記した透明樹脂層１１を成膜する。このようにして成膜
した後に、透明樹脂層１１に対して全面に遠紫外線Ｕを
照射して、透明樹脂層１１を硬化させる。

【００４１】次に、図４に示すように、透明樹脂層の上
部にノボラック系のポジ型のレジスト１７を形成し、感
光させて水玉状のパターンを形成した後、このパターン
を加熱溶融させて、半球面レンズ形状のレジスト１７ａ
を形成する。

【００４２】さらに、図５に示すように、反応性ガスプ
ラズマを用いた、いわゆるエッチバックにより、レジス
ト１７に続いて透明樹脂層１１もエッチングして、レジ
スト１７の半球面レンズ形状１７ａを透明樹脂層１１上
に転写する。このエッチバックは、Ｏ2 とＣＦ4 によ
る、いわゆる、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法で行
った。

【００４３】その後、図６に示すように、ボンディング
パッド１３上の開口部１４及びスクライブライン１５上
の開口部１６の透明樹脂層１１を除去する。さらに、図
７に示すように、ボンディングパッド１３上の平坦化層
９及びパッシベーション膜８も除去して、本発明の半導
体素子を多数配列したウエ ーハが得られる。このウエ ー
ハをスクライブライン１５に沿って切断し、各固体撮像
素子１チップを得る。

【００４４】上記のように、本発明のカラー固体撮像素
子の製造方法によれば、透明樹脂層１１を形成し、遠紫
外線Ｕを照射して透明樹脂層を硬化した後、レンズ形状
のレジスト１７ａをマスクにエッチバック（いわゆるド
ライエッチング）して、透明樹脂層１１によるマイクロ
レンズ１２を形成するようにしたので、透明樹脂層１１
に含有した紫外線吸収剤が低減せず、後述する図９の曲
線ａで示すような充分に紫外線吸収効果を有するマイク
ロレンズ１２を形成することができる。

【００４５】ちなみに、紫外線吸収剤を含有するネガ型
の感光性透明樹脂層１１を、所定パターンのマスクを介
して選択的に露光し、現像処理した後、アニール等によ
りリフロー処理してマイクロレンズを形成するときは、
紫外線吸収効果が減じてしまう。

【００４６】これは、現像処理が原因で紫外線効果が減
退することが確認されている。本実施の形態では、現像
処理工程を有していないので十分な紫外線吸収効果が維
持できる。

【００４７】この製造方法で得られる本発明の固体撮像
素子は、透明樹脂層で可視光線はほとんど吸収せずに、
紫外線をほとんど吸収するので、カラーフィルタを退色
させることが少なく、固体撮像素子の寿命が著しく延長
される。

【００４８】上記のようにして得られた本発明の固体撮
像素子のカラーフィルタの退色の効果を確認するため
に、次のようにして耐光性試験を行った。本発明で用い
る紫外線を含有した透明樹脂（図中の実線ａ）と従来の
紫外線吸収剤を加えない透明樹脂（図中の点線ｂ）の分
光特性を比較して図９に示す。紫外線領域の透過率に著
しい差異があることが分かる。

【００４９】カラーフィルタの退色性試験の試料として
は、石英ガラスウエ ーハにカラーフィルタ層を形成し、
その上に、上記実施の形態で用いたスチレン／ｐ−クロ
ロメチ ルスチレン共重合体からなる透明樹脂でマイク
ロレンズを形成し、次の条件で、 耐光試験機（サンテ
スタ、島津製作所製）により加速試験を行った。

【００５０】(1) 加速試験条件 光源 ：キセノンランプ 照射条件 ：照度７０Ｗ／ｃｍ2 、１２時間 ウエ ーハ温度 ：４０℃ カラーフィルタ ：マゼンタ (2) 加速試験結果 次の表１に示すように、本発明のカラーフィルタの吸光
度変化（５５０ｎｍ）は、従来の紫外線吸収剤を含有し
ない透明樹脂を用いた場合に比べて、吸光度の変化が
１．５倍少なくなり、従って、固体撮像素子としての寿
命が１．５倍となることが確認された。

【００５１】

【表１】

【００５２】本発明の固体撮像素子及びその製造方法
は、上述の例に限定されるものではなく、本発明の要旨
を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

【００５３】

【発明の効果】本発明の固体撮像素子によれば、透明樹
脂に紫外性吸収剤を含有させているので、紫外線吸収層
を別に設ける必要もなく、マイクロレンズの集光状態を
特別に変える必要もなく、透過光を損なうこともない。
また、マイクロレンズを形成する透明樹脂層に、紫外線
吸収剤が含有されているので、自然光、蛍光灯等から発
生する紫外線によるカラーフィルタの退色を防止する事
ができ、固体撮像素子の品質寿命を大幅に延長する事が
可能となる。

【００５４】本発明のカラー固体撮像素子の製造方法に
よれば、紫外線吸収材を含有した感光性透明樹脂層を用
いて、現像処理を用いずにエッチバックによりマイクロ
レンズを形成するので、十分な紫外線吸収効果を有する
マイクロレンズを形成する事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像素子の構成図である。

【図２】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の工程図
（その１）である。

【図３】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の工程図
（その２）である。

【図４】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の工程図
（その３）である。

【図５】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の工程図
（その４）である。

【図６】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の工程図
（その５）である。

【図７】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の工程図
（その６）である。

【図８】固体撮像素子のカラーフィルタの補色市松模様
の平面配列例である。

【図９】感光性透明樹脂の分光特性比較図である。

【図１０】紫外線吸収層を設けた従来例の構成図であ
る。

【符号の説明】 １，３０ 固体撮像素子、２，３２ 基板、４，３４
ゲート絶縁膜、５，３５ 転送電極、６，３６ 層間絶
縁膜、７，３７ 遮光膜、８，３８ パッシベーション
膜、９，３９，４６ 平坦化層、１０，４０ カラーフ
ィルタ、１１，４１ 透明樹脂層、１２，４２ マイク
ロレンズ、１３，４３ ボンディングパッド、１４，４
４ ボンディング開口、４５ 紫外線吸収層 １５ スクライブライン、１６ スクイライブ開口、１
７ レジスト、２１，５１ 受光部、２２，５２ ＣＣ
Ｄ垂直転送レジスタ、２３，５３ 読み出しゲート部、
２４，５４ チャネルストップ領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA08 AB01 BA10 CA02 CA32 FA06 FA26 FA35 GB07 GC09 GD04 GD07 5C024 AA01 CA31 DA01 EA04 EA08 FA01 FA11 FA19 5C065 AA01 BB42 CC01 DD02 EE10 EE11

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 撮像領域上にカラーフィルタを介してマ
   イクロレンズが設けられたカラー固体撮像素子であっ
   て、 前記マイクロレンズが下地の前記カラーフィルタを退色
   させない程度の紫外線吸収剤を含有して成ることを特徴
   とするカラー固体撮像素子。
2. 【請求項２】 撮像領域のカラーフィルタ上に紫外線吸
   収剤を含有した感光性の透明樹脂層を形成する工程と、 前記透明樹脂層を光硬化する工程と、 前記透明樹脂層上にマイクロレンズ形状のレジストパタ
   ーンを形成する工程と、 前記レジストパターンを介し
   て、前記透明樹脂層をエッチバックして透明樹脂層によ
   るマイクロレンズを形成する工程と、 少なくともボンディングパッド部上の前記透明樹脂層を
   除去する工程とを有することを特徴とするカラー固体撮
   像素子の製造方法。