JP2006216904A - カラー固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 カラーフィルタを構成する複数種類のカラーパターンが各々異なる厚さを有していることに起因する混色及びマイクロレンズの形成精度低下を防止する。
【解決手段】 カラー固体撮像素子１００は、基板１０１上に配列され且つ入射光を電荷に変換する複数の光電変換素子１０２と、複数の光電変換素子１０２が設けられた基板１０１を覆う透明膜１０５と、透明膜１０５上に形成された互いに厚さの異なる複数のカラーパターンから構成され且つ入射光を色分解するカラーフィルタ１０６とを備え、複数のカラーパターンのそれぞれの上面が面一である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カラー固体撮像素子及びその製造方法に関し、特に、カラー固体撮像素子が備えるカラーフィルタ及びその製造方法に関する。

ＣＣＤ（Charge Coupled Device、電子結合素子）イメージセンサー及びＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサー等の半導体を用いたカラー固体撮像素子は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ及び携帯電話等の様々な用途に利用されている。また、その普及につれて、画素数の増大、受光感度の向上等の高機能化及び高性能化に関する要求に加えて、小型化及び低価格化等の要求についてもますます強まってきている。

カラー固体撮像素子の小型化及び多画素化が進むと、カラー固体撮像素子に組み込まれる画素サイズはますます縮小される。このような画素サイズの縮小化に伴い、カラー固体撮像素子の基本性能の一つである受光感度は低下するため、照度が低いところでの鮮明な像の撮影は困難となる。

一方、固体撮像素子の小型化に伴ってカメラ本体の小型化も同時に進み、撮像モジュールを携帯電話に装備するというように、撮像素子が取り込まれる光学系が極端に小型化する傾向が急速に進んでいる。その結果、必然的にレンズの瞳位置が近くなり、撮像面に入射する光の斜め入射成分が増大する。これは、特に撮像面の周縁部において顕著である。

図４に、従来のカラー固体撮像装置の要部断面を模式的に示す。

図４のカラー固体撮像装置１０は、シリコン基板１１を用いて形成されている。シリコン基板１１上には光電変換素子１２が複数配列され、シリコン基板１１及び光電変換素子１２を覆う絶縁膜（図示省略）が形成されている。また、シリコン基板１１上における光電変換素子１２の間の位置に、例えば多結晶シリコンからなる電極１３が形成されている。詳しくは示さないが、電極１３等によって、光電変換素子１２における光電変換によって発生した電荷を転送するための電荷転送部が形成されている。

更に、電極１３を覆うように遮光膜１４が形成され、光電変換素子１２及び遮光膜１４等の上には透明樹脂等からなる平坦化層１５が形成されている。平坦化層１５は、電極１３等が形成されていることによって生じている凹凸を埋めて、表面を平坦にするために形成される。

平坦化層１５の上には、個々の光電変換素子１２に対応して、カラーフィルタ１６が形成されている。詳しくは、赤色カラーパターン（以後、Ｒパターンという）１６Ｒ、緑色カラーパターン（以後、Ｇパターンという）１６Ｂ及び青色カラーパターン（以後、Ｂパターンという）のいずれかが個々の光電変換素子１２の上に位置するように形成され、カラーフィルタ１６を構成している。

カラーフィルタ１６の上には、各カラーパターンの厚さの違いによりカラーフィルタ１６上面に生じている凹凸を埋めて平坦化するための中間層１７が形成され、更に、中間層１７上に、個々の光電変換素子１２の上に位置するマイクロレンズ１８がそれぞれ形成されている。ここで、中間層１７は、透明樹脂等により形成されている。

個々の画素について考えると、図４の固体撮像装置１０の断面形状等からも判るように、光の入射角度が大きい（光電変換素子１２に対する垂線からの角度が大きい）ほど、光電変換素子１２に入射する光の量は減少する。これは、シェーディング現象と呼ばれる現象であり、撮像される画像に見られる輝度のひずみ等が発生しやすくなる原因である。シェーディング現象が起こると、高い画質を維持するのが困難になる。そこで、マイクロレンズ１８を形成することにより、受光感度を向上させる技術が提案されているのである。

また、カラー固体撮像素子は、少なくとも平坦化層１５、カラーフィルタ１６及び中間層１７のように数層の積層構造を取る色フィルタアレイを形成し、更に、最上部にはマイクロレンズ１８を形成して光電変換素子１２に色成分を集める構造になっている。

しかし、このような構造を取る場合、マイクロレンズ１８と光電変換素子１２との距離が長くなるため、マイクロレンズ１８に対して斜めに入射する光が増加した場合には、やはり光電変換素子１２に対する集光率は低下する。これは、例えば、カメラの撮像レンズの絞りを開いた場合などに顕著である。

また、集光された光が遮光膜の開口端に近づくと、隣接する画素が備える光電変換素子１２及び電荷転送部等に信号電荷が混入しやすくなる。スミアと呼ばれるこの現象を緩和するため、色フィルタアレイ及びマイクロレンズが担う機能を一つの層に纏めたカラーマイクロレンズアレイを備えるカラー固体撮像素子も提案されている。

尚、図４に示すカラー固体撮像素子１０において、光電変換素子１２はシリコン基板１１上に、行列状に配置されている。ここで、それぞれの光電変換素子１２に対応して形成されるカラーフィルタ１６は、行及び列の方向について、Ｒパターン１６Ｒ、Ｇパターン１６Ｇ及びＢパターン１６Ｂの所定の組み合わせを一つの単位として周期的に配列されている。

一般に、Ｒパターン１６Ｒ、Ｇパターン１６Ｇ及びＢパターン１６Ｂは、所定の分光特性を得るために、それぞれ異なる膜厚を有する。このため、平坦化層１５上に形成されたカラーフィルタ１６上には凹凸が生じる。このため、中間層１７を形成して平坦化を行なっているのである。ここで、中間層１７は、例えば透明樹脂であるアクリル樹脂等を数回に分けて塗布及び硬化することにより形成される。

このように中間層１７によって平坦化された後、マイクロレンズ１８が形成される。このためには、感光性樹脂を中間層１７上の全面に塗布し、マスクを用いて露光し、現像した後に加熱して表面張力によってマイクロレンズ１８とする。

以上に説明した従来技術において、以下のような課題があった。

固体撮像装置を製造する際のうち、マイクロレンズの形成工程においては、中間層の平坦度が極めて重要である。しかし、カラーフィルタが有するカラーパターンは色ごとに膜厚が異なるため、平坦化のために形成される中間層の表面にも僅かな凹凸が生じる場合がある。この場合、中間層の上に形成されるマイクロレンズの形状（曲率）が変化し、本来ならば個々の固体撮像素子について均一であるべき集光効率に差が発生する。

図５（ａ）〜（ｄ）は、このことを説明する模式図である。

まず、図５（ａ）及び（ｂ）は、二つのＢパターン１６Ｂに挟まれたＧパターン１６Ｇを備える画素について示している。ここで、図５（ａ）には、中間層１７の表面が正しく平坦化されており、Ｇパターン１６Ｇに対応する光電変換素子１２Ｇに対して正しく集光されている場合を示している。これに対し、図５（ｂ）には、光電変換素子１２Ｇに対する集光の焦点が光電変換素子１２Ｇからずれており、集光が正しく行なわれていない場合を示している。これは、Ｇパターン１６Ｇの膜厚がその両側に形成されているＢパターン１６Ｂの膜厚に比べて小さいことにより、中間層１７上において僅かな窪みが生じ、対応するマイクロレンズ１８Ｇの形状が歪んでいるためである。

また、図５（ｃ）及び（ｄ）は、二つのＲパターン１６Ｒに挟まれたＧパターン１６Ｇを備える画素について示している。ここで、図５（ｃ）には、中間層１７の表面が正確に平坦化されている場合を示す。この場合、マイクロレンズ１８Ｇによる集光は図５（ａ）と同様に正しく行なわれる。これに対し、図５（ｄ）の場合、Ｇパターン１６Ｇの膜厚がその両側に形成されているＲパターン１６Ｒの膜厚に比べて大きいため、中間層１７の表面についてもＢパターン１６Ｂの上に僅かな膨らみを生じている。この結果として、マイクロレンズ１８Ｇの形状に歪みが発生し、光電変換素子１２Ｇに対する集光が正確には行なわれていない。

以上のような集光の異常は発生しやすく、発生すると固体撮像素子としての出力感度に影響が現われる。これを防ぐためには、中間層の平坦度を向上させるために樹脂を塗り重ねる回数を増やすことが必要であった。しかし、このようにすると光電変換素子１２からマイクロレンズ１８までの距離が増える（光電変換素子１２とマイクロレンズ１０８との間の層の厚さが増す）ため、感度の低下及び斜めの入射光に対する感度低下によるシェーディング現象が課題となる。

これについては、十分に平坦になるまで中間層１７を多層塗り（多くの回数塗り重ねることによって厚く積層）した後にエッチング工程によって中間層１７を削り、光電変換素子１２とマイクロレンズ１８との距離を短くする手法が提案されている。しかし、この場合には、工程数の増加と、エッチング工程の精度バラツキに依存する特性バラツキとが課題となっている。

更に、中間層１７を精度良く平坦に形成し、その上にマイクロレンズ１８を均一に形成した場合にも、各色のカラーフィルタ１６は形成後の高さが異なるため、隣接画素が備えるカラーパターンによって入射光に影響を受けて特性が劣化するという課題がある。以後、これを混色と呼び、図６（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。

図６（ａ）には、Ｇパターン１６Ｇと、その両側に隣接する二つのＢパターン１６Ｂが示されている。また、図６（ｂ）には、Ｇパターン１６Ｇと、その両側に隣接するＲパターン１６Ｒが示されている。更に、図６（ａ）及び（ｂ）において、Ｇパターン１６Ｇに垂直に入射する光２１と、斜めに入射する光２２が示されている。尚、入射する光の波長領域が赤色領域（波長６００〜７００ｎｍ）であるものとする。

図６（ａ）の場合、Ｇパターン１６Ｇに比べてＢパターン１６Ｂは膜厚が大きいため、斜めの入射光２２はＢパターン１６Ｂを一部通過し、吸収される。これに対し、図６（ｂ）の場合、Ｇパターン１６Ｇに比べてＲパターン１６Ｒは膜厚が小さいため、図６（ａ）の場合と同様の斜めの入射光２２についてもＲパターン１６Ｒを通過することはない。

それぞれの画素において、入射する光が同様であれば、出力は同一でなければならない。しかし、上に説明したように、図６（ａ）の場合と図６（ｂ）の場合とでは、Ｇパターン１６Ｇを透過する光に差が生じるため、光電変換素子における出力にも差が生じる。この結果、いわゆるライン濃淡不良が発生することになる。

従来のカラー固体撮像素子について、以上のような課題があった。これらに鑑み、本発明のカラー固体撮像素子は、カラーフィルタの上面に凹凸が存在することに起因する特性のバラツキを防ぐことを目的とする。また、そのようなカラー固体撮像素子を製造する方法を提供することも目的とする。
特開２００２−１８４９６５号公報

前記の目的を達成するため、本発明のカラー固体撮像素子は、基板上に配列され且つ入射光を電荷に変換する複数の光電変換素子と、複数の光電変換素子が設けられた基板を覆う透明膜と、透明膜上に形成された互いに厚さの異なる複数のカラーパターンから構成され且つ入射光を色分解するカラーフィルタとを備え、複数のカラーパターンのそれぞれの上面が面一であることを特徴とする。

本発明のカラー固体撮像素子によると、カラーフィルタは上面が平坦である。つまり、カラーフィルタは、上面の高さがそろって面一である複数のカラーパターンから構成されている。このため、複数のカラーパターンにおいて上面の高さが異なっている従来の場合には発生していた、斜めの入射光が隣接するカラーパターンを通過することから発生するライン濃淡不良等を回避することができる。このため、画質の高い画像を撮像することができる。

尚、透明膜が、複数のカラーパターンのそれぞれ異なる厚さに応じた凹凸を有していることにより、複数のカラーパターンの上面が面一であることが好ましい。

カラーフィルタは透明膜上に形成され且つそれぞれ厚さの異なるカラーパターンを有する。ここで、それぞれのカラーパターンの厚さに応じて透明膜に凹凸を設けることにより、透明膜とそれぞれのカラーパターンとを合わせた厚さを一定にすることができる。つまり、カラーパターンの厚さが大きい位置については透明膜を薄くすると共に、カラーパターンの厚さが小さい位置については透明膜を厚くする。

このようにすると、カラーフィルタが有する複数のカラーパターンの上面を面一にすることができ、カラーパターンの上面は確実に平坦になる。

また、カラーフィルタ上に形成された他の透明膜と、該他の透明膜上に形成され且つ入射光を複数の光電変換素子にそれぞれ集光する複数のマイクロレンズとを更に備えることが好ましい。

本発明のカラー固体撮像素子が有するカラーフィルタは、各カラーパターンの上面が面一であり、上面の平坦度が高い。このようなカラーフィルタ上に、更に他の透明膜を設けると、他の透明膜の上面を非常に平坦度の高い面とすることが容易にできる。このため、他の透明膜上にマイクロレンズを精度良く形成することが容易にでき、カラー固体撮像素子の分光性能を向上することができる。

また、カラーパターンの上面が凹凸を有している場合に比べて、他の透明膜の厚さは小さくて良い。このため、カラー固体撮像素子の感度が向上すると共に、斜めの入射光に対する感度についても向上することからシェーディング現象を抑制することができる。

前記の目的を達成するため、本発明のカラー固体撮像素子の製造方法は、基板上に、入射光を電荷に変換する複数の光電変換素子を形成する工程（ａ）と、複数の光電変換素子が設けられた基板を覆う透明膜を形成する工程（ｂ）と、透明膜上に、互いに厚さの異なる複数のカラーパターンから構成され且つ入射光を色分解するカラーフィルタを形成する工程（ｃ）とを備え、工程（ｂ）において、透明膜に複数のカラーパターンの互いに異なる厚さに応じた凹凸を設け、工程（ｃ）において、凹凸上にカラーパターンをそれぞれの上面が面一になるように形成するようになっている。

本発明のカラー固体撮像素子の製造方法によると、カラーフィルタが有する複数のカラーパターンの各々の厚さに応じた凹凸を透明膜に設けることにより、上面が平坦であるカラーフィルタを有するカラー固体撮像素子を形成することができる。このため、ライン濃淡不良を抑制する等の効果を有する本発明のカラー固体撮像素子を製造することができる。

尚、透明膜を形成する工程（ｂ）は、基板上に、感光性を有する材料からなる材料膜を形成する工程と、露光照射量を制御できるグレースケールマスクを用いることにより、複数のカラーパターンの厚さに応じた複数の露光量で材料膜を露光する工程と、露光された材料膜を現像することにより、凹凸を有する透明膜を形成する工程とを含む。

このようにすると、感光性材料からなる材料膜は、露光量の違いによって現像後の膜厚が決定されるため、グレースケールマスクのグレー階調に応じて凹凸を有する透明膜となる。ここで、露光量を決めるグレースケールマスクを調整することによって、透明膜の凹凸を複数のカラーパターンのそれぞれの膜厚に応じたものとすると、複数のカラーパターンの上面を同じ高さにそろえることができる。この結果、本発明のカラー固体撮像素子を確実に製造することができる。

ここで、グレースケールマスクのグレー階調については、マスク上の遮光膜を単位セルに分割し、その領域に形成されるドットパターンの形状又は濃度等を制御することによって所望の透過率を得る方法がある（例えば、特開2002−244273を参照）。また、異なる光学濃度レベルを有する領域を市松模様に配置する方法なども提案されている（例えば、特開2002−365784Aを参照）。

また、カラーフィルタ上に、他の透明膜を形成する工程と、該他の透明膜上に、入射光を複数の光電変換素子にそれぞれ集光する複数のマイクロレンズを形成する工程を更に備えることが好ましい。

本発明のカラー固体撮像素子の製造方法によると、上面の平坦度が高いカラーフィルタを形成することができる。このため、カラーフィルタ上に形成した他の透明膜の上面は、非常に精度良く平坦にすることが容易にできる。このため、他の平坦膜上にマイクロレンズを非常に精度良く形成することが容易に可能となり、分光特性の優れたカラー固体撮像素子を製造することができる。

更に、上面に凹凸を有するカラーフィルタの上に他の透明膜を形成する場合に比べて、薄い透明膜とすることができる。この際、厚い透明膜を形成して必要な平坦度を得た後にエッチバックする方法等に比べて工程数が少ないことに加え、エッチバックの加工精度ばらつきの影響を回避することができる。これらのことから、特性バラツキの小さいカラー固体撮像素子を製造することができる。また、従来よりも工程数が少ないことから、コストダウンが実現される。

本発明に係るカラー固体撮像素子によると、凹凸を設けた透明膜上にカラーパターンを形成することによって、上端が面一であるカラーフィルタが備えられている。このため、感度特性が向上していると共に、混色が軽減されている。また、本発明のカラー固体撮像素子の製造方法によると、他の透明膜を形成するために必要であった多層塗り及びその後のエッチングの工程を削除することができる。このため、工程を短縮することができると共に、エッチングのバラツキに起因する特性バラツキを回避することができる。

以下、本発明の一実施形態に係るカラー固体撮像素子及びその製造方法について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態のカラー固体撮像素子１００の断面構成を模式的に示す図であり、カラーフィルタ１０６としてそれぞれ異なる色のカラーパターンを備えた三個の光電変換素子１０２を含む範囲を示している。以下に詳しく説明する。

図１に示すカラー固体撮像素子１００は、シリコン基板１０１を用いて形成されている。シリコン基板１０１上には入射光を電荷に変換する光電変換素子１０２が複数配列して形成されており、シリコン基板１０１及び光電変換素子１０２を覆う絶縁膜（図示省略）が形成されている。また、シリコン基板１０１上における光電変換素子１０２の間の位置に、例えば多結晶シリコンからなる電極１０３が形成されている。電極１０３は、光電変換素子１０２において生成した電荷を転送する機能を有する。

また、電極１０３を覆うように、電極１０３に対して光が入射するのを防ぐための遮光膜１０４が形成されている。更に、光電変換素子１０２及び遮光膜１０４等の上に、第１の透明膜１０５が形成され、第１の透明膜１０５上にはカラーフィルタ１０６が形成されている。カラーフィルタ１０６上には、透明樹脂からなる第２の透明膜１０７が形成され、更に第２の透明膜１０７上には、個々の光電変換素子１０２に対応してマイクロレンズ１０８がそれぞれ備えられている。

このような構造により、カラー固体撮像素子１００に対する入射光は、マイクロレンズ１０８によって集光され、第２の透明膜１０７、カラーフィルタ１０６、第１の透明膜１０５及び絶縁膜（図示していない）を順に通って光電変換素子１０２に入るようになっている。

ここで、カラーフィルタ１０６は、より詳しくは、赤色カラーパターン（Ｒパターン）１０６Ｒ、緑色カラーパターン（Ｇパターン）１０６Ｂ及び青色カラーパターン（Ｂパターン）１０６Ｂが水平方向に配列して構成されており、個々の光電変換素子１０２に対していずれか一つの色のカラーパターンが形成されている。このため、個々の光電変換素子１０２に対しては、それぞれのカラーパターンの色に対応する特定の範囲の波長を有する光だけが入射するようになっている。

以上のように、一つの光電変換素子１０２に対して一つの色のカラーパターンと、一つのマイクロレンズ１０８とが備えられている。この結果、ある一つのマイクロレンズ１０８によって集光された光は、いずれか一つの色のカラーパターンを通過し、特定の範囲の波長を有する光として所定の一つの光電変換素子１０２に集光されることになる。

また、Ｒパターン１０６Ｒ、Ｇパターン１０６Ｇ及びＢパターン１０６Ｂは、それぞれ異なる厚さを有する。しかし、このような厚さの違いに対応する凹凸が第１の透明膜１０５の上面に設けられており、Ｒパターン１０６Ｒ、Ｇパターン１０６Ｇ及びＢパターン１０６Ｂのそれぞれの上面は同じ高さに揃えられている。このため、カラーフィルタ１０６の上面は面一になっている。

例えば、図１の固体撮像素子１００の場合には、三色のカラーパターンの中ではＢパターン１０６Ｂの厚さが一番大きく、Ｒパターン１０６Ｒの厚さが一番小さい。Ｇパターン１０６Ｇの厚さは他二色の中間である。このため、Ｂパターン１０６Ｂの形成される領域においては第１の透明膜１０５の厚さが一番小さく、Ｒパターン１０６Ｒの形成される領域においては第１の透明膜１０５の厚さが一番大きいようになっている。Ｇパターン１０６Ｇの形成される領域の第１の透明膜１０５の厚さは他の二色のカラーパターンが形成される領域の中間の厚さになっている。この結果、三色のカラーパターンの上面は同じ高さに揃えられ、カラーフィルタ１０６の上面において、三色のカラーパターンの膜厚の違いに起因して凹凸が生じるのは防がれている。

具体的には、図４に示す従来のカラー固体撮像素子１０の場合、Ｒパターン１６Ｒ、Ｂパターン１６Ｂ及びＧパターン１６Ｇの厚さは、例えば、順に７００ｎｍ、１２００ｎｍ及び１０００ｎｍであった。このため、カラーフィルタ１６の上面において、最も高さの差が大きくなるＲパターン１６Ｒ上面とＢパターン１６Ｂの上面との高さの差は５００ｎｍであった。

これに対し、本実施形態のカラー固体撮像素子１００によると、それぞれ従来のカラーパターンと同様の厚さを有するＲパターン１０６Ｒ、Ｂパターン１０６Ｂ及びＧパターン１０６Ｇを備えている場合において、各カラーパターン上面の高さの差は加工の精度の範囲に抑えられており、例えば４０ｎｍ程度となっている。

また、カラーフィルタ１０６上に形成される第２の透明膜１０７によって表面の平坦度が更に高められ、この結果としてマイクロレンズ１０８は極めて精度良く形成されている。このことから、個々の光電変換素子１０２に対する集光が精度良く行なわれ、個々の光電変換素子１０２における出力感度及び光電変換素子１０２毎の出力感度の均一性が向上している。

また、それぞれの色のカラーパターンの上面が同じ高さに揃っていることから、混色が防がれている。これについて、図２及び図６を参照して説明する。

図６（ａ）に示す、従来のカラーフィルタにおける両側をＢパターン１６に挟まれたＧパターン１６については、先に説明したように混色が生じている。これは、Ｇパターン１６に対する斜めの入射光２２が、Ｇパターン１６よりも上に突出している隣接するＢパターン１６の端を通過するためである。これに対し、図２（ａ）に示す本実施形態の固体撮像素子１００における両側をＢパターン１０６Ｂに挟まれたＧパターン１０６Ｇの場合、このような混色は生じない。これは、Ｇパターン１０６Ｇの上面と、Ｇパターン１０６Ｇに隣接するＢパターン１０６Ｂの上面とが同じ高さに揃っているためである。尚、図２（ｂ）に示す、両側をＲパターン１０６Ｒに挟まれたＧパターン１０６Ｇについても、混色が生じることはない。

また、第２の透明膜１０７の厚さは小さいくてよいことから、光電変換素子１０２とマイクロレンズ１０８との間の距離を短くし、シェーディング現象を抑制することが可能である。

次に、図３（ａ）〜（ｄ）を参照して、固体撮像素子１００の製造方法について説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１０１上に光電変換素子１０２を配列して形成し、続いてシリコン基板１０１及び光電変換素子１０２を覆うように、図示を省略している絶縁膜を形成する。次に、該絶縁膜上における光電変換素子１０２の間の位置に、例えば多結晶シリコンからなる電極１０３を形成し、続いて電極１０３を覆う遮光膜１０４を形成する。これらは、いずれも公知の方法によって行なえば良い。

更に、感光性を有する材料を用いて、例えばスピンコート等の方法によって第１の透明膜１０５を形成する。これにより、光電変換素子１０２及び遮光膜１０４等の上を覆う。

次に、図２（ｂ）に示すように、グレースケールマスク１１０を用いて第１の透明膜１０５の露光を行なう。ここで、グレースケールマスク１１０は、Ｒパターン１０６Ｒを形成する領域に対応するマスクパターン（Ｒマスクパターン１１０Ｒ）と、Ｂパターン１０６Ｂを形成する領域に対応するマスクパターン（Ｂマスクパターン１１０Ｂ）と、Ｇパターン１０６Ｇを形成する領域に対応するマスクパターン（Ｇマスクパターン１１０Ｇ）とを備えており、それぞれのマスクパターンは異なるグレー階調を有する。このため、第１の透明膜１０５はグレースケールマスク１１０のパターンのそれぞれのグレー階調に応じた露光量をもって露光され、露光後に行なう現像工程により、露光量に応じて膜厚が小さくなる。尚、第１の透明膜１０５を形成するための感光性材料は、ポジ型及びネガ型のいずれであっても良い。

図３（ｃ）に、現像工程を終えた時点の工程図を示す。ここでは、Ｂパターン１０６Ｂを形成する領域において最も大きく第１の透明膜１０５の膜厚が減じ、最も深い凹部であるＢ領域凹部１１１Ｂが形成されている。Ｇパターン１０６Ｇが形成される領域において、これに次いで第１の透明膜１０５の膜厚が減じ、Ｂ領域凹部１１１Ｂよりも浅い凹部であるＧ領域凹部１１１Ｇが形成されている。尚、本実施形態の場合には、Ｒパターン１０６Ｒが形成される領域においては第１の透明膜１０５の膜厚は減じていない。

このようにして、第１の透明膜１０５に凹凸のパターンが形成される。尚、凹凸の深さについては、前記に限らす、必要に応じて設定する。

次に、図３（ｄ）に示すように、第１の透明膜１０５上に、Ｒパターン１０６Ｒ、Ｂパターン１０６Ｂ及びＧパターン１０６Ｇからなるカラーフィルタ１０６を形成する。この際、第１の透明膜１０５には個々のカラーパターンの厚さに応じて凹凸が設けられているため、カラーパターンの上面を同じ高さにそろえ、カラーフィルタ１０６の上面に凹凸を生じることなく面一にすることができる。

この後、カラーフィルタ１０６上に、第２の透明膜１０７を形成し、更に第２の透明膜１０７上にマイクロレンズ１０８を形成することにより、図１に示す固体撮像素子１００が形成される。

ここで、カラーフィルタ１０６上が平坦であるため、第２の透明膜１０７の上面は容易に極めて精度良く平坦にすることが可能であり、更に、比較的薄い第２の透明膜１０７とすることができる。

従来の方法においては、膜厚を小さくするため、第２の透明膜は厚塗りの後にエッチングすることによって形成されていたが、このような工程は不要である。このため、エッチング工程の精度バラツキによる特性バラツキを排除することができる。

また、マイクロレンズ１０８は、例えば、第２の透明膜１０７上に感光性樹脂を塗布した後に露光及び現像を行なってマイクロレンズのパターンを形成し、更に、樹脂の軟化温度に加熱して表面張力によりレンズ形状を得ることによって形成する。

以上に説明したように、本実施形態のカラー固体撮像素子の形成方法によると、カラーフィルタ１０６の上面が平坦であることから、薄い第２の透明膜１０７を形成することによって精度良く平坦化を行なうことができる。また、第２の透明膜１０７上の平坦度が高いことから、マイクロレンズ１０８についても精度良く形成することができる。

尚、本実施形態においては、赤、緑及び青の三色のカラーパターンからなる原色系のカラーフィルタの場合について説明したが、特にこれに限るものではなく、例えば補色系のカラーフィルタを形成する場合等にも使用できる。カラーパターンの色の数についても、特に限定するものではない。

また、ＣＭＯＳ型及びＣＣＤ型等の固体撮像素子の種類についても、特に限定するものではない。

また、本実施形態においては、カラーフィルタ１０６を構成するカラーパターンはいずれも一層である。しかし、カラーパターンの一部又は全部が、二層以上のカラーパターンからなる積層構造を取っていても良い。このような場合にも、積層構造の厚さに応じた凹凸を第１の透明膜１０５に設けることにより、カラーフィルタ１０６の上面を面一にすることができる。

本発明に係るカラー固体撮像素子及びその製造方法によると、カラーフィルタの上面が面一になっていることから混色、シェーディング現象及びライン濃淡不良等が抑制されており、小型化及び多画素化が進んだカラー固体撮像素子において有効である。

図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の断面構成を模式的に示す図である。 図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を説明する図である。 図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子が備えるカラーフィルタにおいて、混色が回避されていることを説明する図である。 図４は、従来の固体撮像素子の断面構成を模式的に示す図である。 図５（ａ）〜（ｄ）は、従来の固体撮像素子において、カラーフィルタ上面の凹凸によって、マイクロレンズによる光電変換素子に対する集光が影響を受けることを説明する図である。 図６（ａ）及び（ｂ）は、従来の固体撮像素子が備えるカラーフィルタにおいて、混色が生じることを説明する図である。

符号の説明

１０１ シリコン基板
１０２ 光電変換素子
１０３ 電極
１０４ 遮光膜
１０５ 第１の透明膜
１０６ カラーフィルタ
１０６Ｒ 赤色カラーパターン（Ｒパターン）
１０６Ｇ 緑色カラーパターン（Ｇパターン）
１０６Ｂ 青色カラーパターン（Ｂパターン）
１０７ 第２の透明膜
１０８ マイクロレンズ
１１０ グレースケールマスク
１１０Ｒ 赤色領域マスクパターン（Ｒマスクパターン）
１１０Ｇ 緑色領域マスクパターン（Ｇマスクパターン）
１１０Ｂ 青色領域マスクパターン（Ｂマスクパターン）
１１１Ｇ Ｇ領域凹部
１１１Ｂ Ｂ領域凹部

Claims (6)

1. 基板上に配列され且つ入射光を電荷に変換する複数の光電変換素子と、
   前記複数の光電変換素子が設けられた前記基板を覆う透明膜と、
   前記透明膜上に形成された互いに厚さの異なる複数のカラーパターンから構成され且つ前記入射光を色分解するカラーフィルタとを備え、
   前記複数のカラーパターンのそれぞれの上面が面一であることを特徴とするカラー固体撮像素子。
2. 請求項１において、
   前記透明膜が、前記複数のカラーパターンのそれぞれ異なる厚さに応じた凹凸を有していることにより、前記複数のカラーパターンの上面が面一であることを特徴とするカラー固体撮像素子。
3. 請求項１又は２において、
   前記カラーフィルタ上に形成された他の透明膜と、
   前記他の透明膜上に形成され且つ前記入射光を前記複数の光電変換素子にそれぞれ集光する複数のマイクロレンズとを更に備えることを特長とするカラー固体撮像素子。
4. 基板上に、入射光を電荷に変換する複数の光電変換素子を形成する工程（ａ）と、
   前記複数の光電変換素子が設けられた前記基板を覆う透明膜を形成する工程（ｂ）と、
   前記透明膜上に、互いに厚さの異なる複数のカラーパターンから構成され且つ前記入射光を色分解するカラーフィルタを形成する工程（ｃ）とを備え、
   前記工程（ｂ）において、前記透明膜に前記複数のカラーパターンの互いに異なる厚さに応じた凹凸を設け、
   前記工程（ｃ）において、前記凹凸上に前記カラーパターンをそれぞれの上面が面一になるように形成することを特徴としたカラー固体撮像素子の製造方法。
5. 請求項４において、
   前記透明膜を形成する工程（ｂ）は、
   前記基板上に、感光性を有する材料からなる材料膜を形成する工程と、
   露光照射量を制御できるグレースケールマスクを用いることにより、前記複数のカラーパターンの厚さに応じた複数の露光量で前記材料膜を露光する工程と、
   前記露光された材料膜を現像することにより、前記凹凸を有する前記透明膜を形成する工程とを含むことを特長とする固体撮像素子の製造方法。
6. 請求項４又は５において、
   前記カラーフィルタ上に、他の透明層を形成する工程と、
   前記他の透明層上に、前記入射光を前記複数の光電変換素子にそれぞれ集光する複数のマイクロレンズを形成する工程を更に備えることを特長とする固体撮像素子の製造方法。

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