撮像素子の光感度を向上させるために、カラーフィルター上に光電変換素子に対応してマイクロレンズを配置した従来例では、複数色のカラーフィルタの夫々の相互に隣接して隙間なく接している側面のマイクロレンズに近い部分に入射した光の一部が、隣接するカラーフィルターの側面の同様な部分から隣接するカラーフィルターに進入し、隣接するカラーフィルターの側面の近傍の光に混色を生じさせる。
混色が生じた光電変換素子では、色の再現性の低下や明度の低下が生じ、カラー撮像素子の全体では色むらを生じさせる。
しかもこのような、隣接するカラーフィルターからの光の一部の進入は、光電変換素子への入射光の入射角度が浅くなればなるほど生じやすくなる。
撮像素子の感度を向上させるために撮像素子を構成する半導体基板中で光電変換素子を半導体基板の表面の出来る限り近い位置に配置することで、光電変換素子が受け取ることが出来る光量を増加させるようにした場合でも、複数の光電変換素子に対応して複数色のカラーフィルターを形成しなければならない。従って、マイクロレンズを使用しないこの場合にも、マイクロレンズを使用している上述した場合と同様に、隣接するカラーフィルターからの光の一部の進入が、隣接するカラーフィルターの側面の近傍の光に混色を生じさせ、上述したのと同じ結果を生じさせている。
このような混色を防止する為に、特開2005−294467号公報(特許文献4)には、カラーフィルターの上部とカラーフィルターの上面に載置された透明樹脂とでマイクロレンズを構成する技術が記載されている。即ち、カラーフィルターの上面に載置された透明樹脂の表面によりマイクロレンズの上に凸状の湾曲した表面の中央部を構成し、透明樹脂の周辺のカラーフィルターの上面領域によりマイクロレンズの上に凸状の湾曲した表面の環状の周辺部を構成している。
そして、このようなマイクロレンズは、透明樹脂の表面に形成したレンズ母型をマスクとして用いたドライエッチングによりレンズ母型の形状を透明樹脂に形状転写することにより形成されている。しかしながら、ドライエッチングによるこのような加工工程は、カラー撮像素子の製造を煩雑にし、製造コストを高くしている。しかも、色の異なるカラーフィルターは同じエッチング条件でドライエッチングした場合にはエッチング速度が異なるので、相互に隣接した相互に色の異なるカラーフィルターの夫々の上面が、透明樹脂の表面により形成されたマイクロレンズの中央部の上に凸状の湾曲した表面に続き形成している、マイクロレンズの上に凸状の湾曲した表面の環状の周辺部の曲率に差が生じ、さらにドライエッチングされてマイクロレンズの上に凸状の湾曲した表面の環状の周辺部を形成している相互に色の異なるカラーフィルターの夫々の表面領域の荒れの程度も相互に異なるので、複数色のカラーフィルターに対応した複数の光電変換素子に入射される光の色のバランスが悪くなり、カラー撮像素子の全体で色むらを生じさせる。
撮像素子の光感度を向上させるために、半球形状の着色されたマイクロレンズをカラーフィルターとして使用した従来例では、マイクロレンズの中央部と周辺部とではマイクロレンズに入射後の光の光路の長さに差異がある。カラーフィルター中を通過する光路の長さが異なると、各光路を通過する光の着色に差が生じる。この結果としてマイクロレンズの中央部と周辺部とを通過する光に分光特性に大きな差異が生じる。そして、マイクロレンズにおいては中央部を通過する光量よりも周辺部を通過する光量の方が多いので、カラーフィルターを兼ねるよう着色されたマイクロレンズにより分光された光は全体として色が薄くなる。このことは、カラーフィルターを兼ねるよう着色されたマイクロレンズは、色分離能力が低いことを意味している。これに対し、マイクロレンズの着色を濃くするとカラーフィルターを兼ねて着色されたマイクロレンズにより分光された光の明度が低くなるし、マイクロレンズに含有される着色剤の量が多くなるとマイクロレンズの表面の滑らかさが損なわれマイクロレンズとしての機能が低下してしまう。
さらに従来の複数色のカラーフィルターは、半導体基板に設けられた複数の光電変換素子上に、ネガ型感光性カラー樹脂層からフォトリソグラフィー技術を使用して相互に隣接して隙間なく所定色のカラーフィルターから順次形成されているが、2番目以降に形成される色のカラーフィルターでは、カラーフィルターの表面は、カラーフィルターの周辺部の高さよりも中央部のほうが低くなる。そして、複数色のカラーフィルターの表面を均一に平坦にしたり凸形状にする作業は、非常に困難である。
また、ネガ型感光性カラー樹脂層では、色材の含有量が増えるとパターン露光時にパターン光がネガ型感光性カラー樹脂層の底まで十分届かなくなり、樹脂層の底部の硬化度が不十分となる。その為、パターン露光部位と基板との密着力が不十分になり、パターン露光後の現像時にパターン露光部位、即ちカラーフィルターとして半導体基板上に残すべき部分、は半導体基板から剥がれ易くなる。
この発明は、上記事情の下で為され、この発明の目的は、撮像素子の光感度を向上させることが出来、しかも複数の光電変換素子において混色を生じさせることがなく、さらに、色分離能力が高く、また複数色のカラーフィルターに対応した複数の光電変換素子に入射される光の色のバランスが悪くなることがなくてカラー撮像素子の全体で色むらを生じさせることがない、カラー撮像素子を提供することである。
この発明のもう1つの目的は、上述したカラー撮像素子の為のカラーフィルターを容易に確実に製造するカラー撮像素子製造方法を提供することである。
上述したこの発明の目的を達成する為に、この発明に従ったカラー撮像素子は、半導体基板に設けられた複数の光電変換素子と、複数の光電変換素子上に相互に隣接して隙間なく形成された複数色のカラーフィルターと、を備えている。そして、複数色のカラーフィルターの夫々において、対応する光電変換素子とは反対側の表面が球形状の凸状に形成されてマイクロレンズを構成し、複数色のカラーフィルターの夫々は、相互に隣接し隙間なく接する側面を有している、ことを特徴としている。
また、この発明に従ったカラー撮像素子製造方法は、半導体基板に設けられた光電変換素子上にカラーフィルターを形成するカラー撮像素子製造方法であって:半導体基板の光電変換素子上に紫外線吸収層を形成する紫外線吸収層形成工程と;紫外線吸収層の上に所望の色のポジ型カラーレジスト層を形成するポジ型カラーレジスト層形成工程と;ポジ型カラーレジスト層の表面に現像後に半球状の凸形状が残るようパターンを露光するパターン露光工程と;ポジ型カラーレジスト層を現像し、ポジ型カラーレジスト層の表面に半球状の凸形状を残す現像工程と;現像工程終了後のポジ型カラーレジスト層に硬膜処理を行なう硬膜処理工程と;を備えたことを特徴としている。
上述した如く構成されたことを特徴とするこの発明に従ったカラー撮像素子は:複数色のカラーフィルターの夫々において、対応する光電変換素子とは反対側の表面が半球状の凸状に形成されてマイクロレンズを構成しているので、光電変換素子に入射する光量を増大させることが出来て、ひいてはカラー撮像素子の光感度を向上させることが出来、しかも隣接するカラーフィルターからの光の一部の進入が生ぜずに複数の光電変換素子において混色を生じさせることがなく;さらに複数色のカラーフィルターの夫々は相互に隣接し隙間なく接する側面を有しているので、マイクロレンズとして機能する表面の中央部や周辺部から異なった光路長さを進入してきた光も十分に色分離させることができるだけのカラーフィルターとしての十分な厚みを有していて色分離能力が高い。また、複数色のカラーフィルターの夫々の表面にマイクロレンズの上に凸状の湾曲した表面の一部をドライエッチングにより形成する必要がなく、ひいては複数色のカラーフィルターの夫々の表面にドライエッチングの程度の差異により生じる荒れが生じて複数色のカラーフィルターの相互間の色にバランスの悪化を生じさせることがなく、結局としてカラー撮像素子の全体で色むらを生じさせることがない。
また、上述した如く構成されたことを特徴とするこの発明に従ったカラー撮像素子製造方法では:半導体基板の光電変換素子上に形成された紫外線吸収層の上に所望の色のポジ型カラーレジスト層を形成し、このポジ型カラーレジスト層の表面に現像後に半球状の凸形状が残るようパターンを露光した後にポジ型カラーレジスト層を現像してポジ型カラーレジスト層の表面に半球状の凸形状を残し、最後に現像終了後のポジ型カラーレジスト層に硬膜処理を行なうので、ネガ型感光性カラー樹脂層からフォトリソグラフィー技術を使用して製造された従来のカラーフィルターとは異なり、カラーフィルター形成の順番とは無関係に、全ての色のカラーフィルターでも、カラーフィルターの表面をカラーフィルターの周辺部の高さよりも中央部のほうを容易に所望の高さに高く凸形状にすることが出来る。しかも、ポジ型カラーレジスト層中の色材の量をある程度増やしても、前述した従来のネガ型感光性カラー樹脂層において色材の量を増やした場合とは異なり、パターン露光後の現像時にカラーフィルターが半導体基板から剥がれることもない。
次に、この発明の一実施の形態に従ったカラー撮像素子のカラーフィルター製造方法により撮像素子にカラーフィルターが形成されて、この発明の一実施の形態に従ったカラー撮像素子が製造される様子を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
図1の(A)には、半導体基板10に複数のCMOS光電変換素子12が設けられている撮像素子14の概略的な縦断面が示されている。なおこの実施の形態では光電変換素子はCMOS光電変換素子12であるが、この発明の概念に従えば光電変換素子はCCD光電変換素子であってもよい。このような撮像素子14の構成は周知であり、ここではこれ以上詳細に説明しない。
なおこの発明が適用可能な平面視での画素サイズは、略10μm〜略1μmの範囲であり、この実施の形態では略2.5μm〜略2.2μmの範囲である。
次には、図1の(B)中に示されている如く、撮像素子14において複数の光電変換素子12上の表面に紫外線吸収層16が形成され、その上にさらに所望の色のポジ型カラーレジスト層18が形成される。この実施の形態では、紫外線吸収層16の厚さUVHは略0.1μmであり、ポジ型カラーレジスト層18の厚さPCRHは略1.2μmである。
ポジ型カラーレジスト層18は、例えば、ポジ型感光性樹脂に、所望の色の色材を添加し、さらにシクロヘキサンやPGMEAなどの有機溶剤、酸分解性樹脂、光酸発生剤、そして分散剤を添加して作成されている。
ポジ型カラーレジスト層18は通常、緑,青,そして赤の3色が準備される。
そして、緑色のポジ型カラーレジスト層18は、色材として例えばC.I.ピグメントイエロー150,C.I.ピグメントグリーン36,そしてC.I.ピグメントグリーン7を添加している。
また、青色のポジ型カラーレジスト層18は、色材として例えばC.I.ピグメントブルー15:6,そしてC.I.ピグメントバイオレット23を添加している。
さらに、赤色のポジ型カラーレジスト層18は、色材として例えばC.I.ピグメントレッド177,C.I.ピグメントレッド48:1,そしてC.I.ピグメントイエロー139を添加している。
ポジ型感光性樹脂は、例えばノボラック樹脂とキノンジアジド化合物の組み合わせであり、この組み合わせにさらにアルカリ可溶性ビニル重合体を加えることも出来る。
ポジ型感光性樹脂としては、その他にポリビニルフェノール誘導体やアクリル系であっても良い。
なお色材は、上述した以外の他の色の有機顔料や染料であっても良い。
さらに、有機溶剤には、乳酸エステルを添加しても良い。
酸分解性樹脂は、酸に接触することによりアルカリ可溶性基(例えば、カルボキシル基やフェノール性水酸基等)に変換可能な基を有する樹脂である。
また、光酸発生剤は、光が照射されることにより酸を発生する化合物であり、このような化合物の一種以上を使用することが出来る。そして、光酸発生剤としては、例えばオニウムのハロゲンイオン,BF4イオン,PF6イオン,AsF6イオン,SbF6イオン,CF3SO3イオン等との塩、有機ハロゲン化合物、ナフトキノンジアジドスルホン酸化合物、光スルホン酸発生化合物などを使用することが出来る。
次に、ポジ型カラーレジスト層18の表面において所望の色(例えば緑)のカラーフィルターを対応して形成したい光電変換素子12に対応する部分を、現像後に対応する光電変換素子12の中心を中心にして半球状の凸形状を残すようなパターンの階調性を有したハーフトーンマスク20を使用してパターン露光22する。
図2には、使用するハーフトーンマスク20の概略的な平面図が示されている。なお通常、ハーフトーンマスクは、実際に形成するパターンの5倍の寸法を有していて、パターン露光時に1/5に縮小してパターン露光を行なう。またハーフトーンマスクは、同心円状に階調(グレースケール)を有する。同心円状の階調は、例えば1/5縮小時に、例えば露光光の波長以下の寸法になる微細な黒ドット(或いは白ドット)の単位面積当たりの個数をハーフトーンマスク上で調整して形成する。これにより光の透過率が同心円状に異なる同心円状の階調をハーフトーンマスクに持たせることが出来る。
この実施の形態に使用したハーフトーンマスク20では、光電変換素子12の中心を中心とした同心円上に中心に近づくほど黒ドットの数を増やしており、この結果として中心に近づくほど同心円状に光の透過率が減少する。
この実施の形態のハーフトーンマスク20は、5倍レチクルであり、ポジ型カラーレジスト層18の表面に露光されるパターンの寸法の5倍の大きさの寸法のパターンを有している。そして、図示しないステッパー露光装置を使用し、ハーフトーンマスク20のパターンを1/5に縮小してポジ型カラーレジスト層18の表面に露光している。
この後、ポジ型カラーレジスト層18を現像すると、ポジ型カラーレジスト層18において露光されなかった部分、即ち、所望の色のカラーフィルターを対応して形成したい光電変換素子12に対応する部分、のみが、光電変換素子12の中心を中心とした半球状の凸状の表面を有する所望の色の第1のカラーフィルター24として、残る。
このとき、第1のカラーフィルター24の半球状の凸状の表面24aにおいて周縁からの中心の突出高さPHは、この実施の形態では略0.5μmであり、上記周縁から紫外線吸収層16までには半導体基板10の表面に対し略0.7μmの高さの略垂直な側面24bが残される。
最後に、このようにして形成されたカラーフィルター24に硬膜処理が行なわれる。
次に、紫外線吸収層16の上に別の所望の色(例えば青)のポジ型カラーレジスト層が形成され、図1の(B)及び(C)を参照しながら前述した所望の色のポジ型カラーレジスト層18から所望の色のカラーフィルター24を形成した時と同様なパターン露光工程,現像工程,そして硬膜処理工程が繰り返されて、別の所望の色のカラーフィルターを対応して形成したい光電変換素子12に対応する部分が、図1の(D)中に示されている如く、この光電変換素子12の中心を中心とした半球状の凸状の表面を有する別の所望の色の第2のカラーフィルター26となる。
また紫外線吸収層16の上にさらに別の所望の色(例えば赤)のポジ型カラーレジスト層が形成され、図1の(B)及び(C)を参照しながら前述した所望の色のポジ型カラーレジスト層18から所望の色のカラーフィルター24を形成した時と同様なパターン露光工程,現像工程,そして硬膜処理工程が繰り返されて、さらに別の所望の色のカラーフィルターを対応して形成したい光電変換素子に対応する部分が、図1の(D)中に示されている所望の色の第1のカラーフィルター24や別の所望の色の第2のカラーフィルター26と同様に、この光電変換素子の中心を中心とした半球状の凸状の表面を有する別の所望の色の第3のカラーフィルターとなる。
このように撮像素子10の複数の光電変換素子12上に紫外線吸収層16を介して所望の配列で形成された複数の第1のカラーフィルター24,第2のカラーフィルター26,そして第3のカラーフィルターは、相互に隣接して隙間なくそれぞれの側面24b,26bを接している。
なお、相互に異なる色の第1乃至第3のカラーフィルター24,26を形成する際には、第1乃至第3のカラーフィルター24,26の夫々を形成する為のポジ型カラーレジスト層18において夫々に含まれる顔料が相互に異なっており、その結果として露光の際の感光度や現像の際の現像度が相互に異なっているので、夫々の色のポジ型カラーレジスト層18に為に使用されるハーフトーンマスクの階調レベルは夫々の色のポジ型カラーレジスト層18から所望の寸法のカラーフィルターを製造するのに最適なように調整される。
即ち、このように夫々の色のポジ型カラーレジスト層18からカラーフィルターを製造する際に専用のハーフトーンマスクを使用することにより、夫々の色のカラーフィルターを夫々の色のカラーフィルターがその光学性能を最も良く発揮することが出来るような寸法に製造することが可能になっている。
なお、ポジ型カラーレジスト層18に添加される色材は、染料でも良いが、耐熱性及び耐光性を考慮すると有機顔料が好ましい。
また、ポジ型カラーレジスト層18に色材として有機顔料を添加する場合には、ポジ型カラーレジスト層18からカラーフィルターを製造する際の種々の製造工程での品質を考慮するとポジ型カラーレジスト層18内における有機顔料の固形比は30%〜50%が好ましく、特に40%前後が好ましい。固形比が30%よりも低くなるとポジ型カラーレジスト層18に対する所望の十分な着色効果を得ることが出来ず、固形比が50%を超えると半球状の凸状、即ち半球状の凸レンズ形状、に加工することが困難になるとともに、現像後にポジ型カラーレジスト層18から作られるカラーフィルターに含まれる顔料を主体とする残渣が増え、このようなカラーフィルターを通過した光に混色を生じさせたり、このようなカラーフィルターを通過した光が光電変換素子12からの画像信号出力にノイズを生じさせる原因となるので好ましくない。
そしてこのようなポジ型カラーレジスト層18内における有機顔料の固形比であると、所望の分光特性を得るために必要なカラーフィルターの最低限度の厚さは略0.4μmとなる。
そして従来のカラー撮像素子の為の平坦なカラーフィルターの厚さは1μm程度であったので、本発明のカラー撮像素子のカラーフィルターにおいて従来の平坦なカラーフィルターと機能的に同じ部分の側面の厚さは、顔料の固形比が30%〜50%の場合、0.4μm〜0.9μmの範囲が好ましく、更には0.5μm〜0.7μmの範囲が最も好ましい。
さらに、本発明のカラー撮像素子のカラーフィルターにおいてカラーフィルターに対応した光電変換素子への集光度を向上させるためにカラーフィルターの上部でマイクロレンズとしての効果を生じさせる半球状の凸状の表面を有した部分の高さは、従来の撮像素子の半導体基板において光電変換素子が設けられている深さが5μm〜6μmであり、特許文献6や7に記載されているように半導体基板において光電変換素子を半導体基板の表面に出来る限り近く配置するようにしたものでの上記深さが2μm〜3μmであり、さらに半導体基板において光電変換素子の上に形成される紫外線吸収層の厚さや所望の色のポジ型カラーレジスト層の厚さを考慮すると、カラーフィルターに対応した光電変換素子への集光度を出来る限り好ましくするには、1.8μm〜0.1μmの範囲が好ましい。
10…半導体基板、12…光電変換素子、14…撮像素子、16…紫外線吸収層、18…ポジ型カラーレジスト層、20…ハーフトーンマスク、22…露光、24…カラーフィルター、24a…凸状の表面、24b…側面、26…カラーフィルター