JP2017204578A - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子が、マイクロレンズ層／間隙層／光電変換素子なる構成であっても、クロストークを防止することができる固体撮像素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】光電変換素子がマトリクス状に形成されたイメージセンサデバイス１と、イメージセンサデバイスの個々の光電変換素子である各受光部２の上に形成された透明層である間隙部５と、間隙部の上に形成され、受光部に目合わせして形成されたマイクロレンズ６と、を備えており、隣接するマイクロレンズの間の間隙部は、受光部を区画するように遮光性部７が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。【選択図】図１

Description

本発明は固体撮像装置の画像品質を向上させるための固体撮像素子およびその製造方法に関する。

従来からデジタルカメラやビデオカメラなどの撮像素子として、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子が使用されている。

従来の固体撮像素子の構成例を図２に示した。図２（ａ）は、シリコンウェハなどを使用してウェハプロセスを行うことによって作製したイメージセンサデバイス１が形成されたウェハの断面図の例を示したもので、光を電気信号に変換するための光電変換素子が受光部２として形成された状態である。

図２（ｂ）は、図２（ａ）のイメージセンサデバイス１が形成されたウェハの受光部２側にブラックマトリクス４とカラーフィルタ３を形成した状態を例示している。

図２（ｃ）は、そのようにして形成したカラーフィルタ３とブラックマトリクス４からなるカラーフィルタ層の上に、カラーフィルタ３に位置合わせして、マイクロレンズ６を形成した状態を示している。このように、従来の固体撮像素子では、マイクロレンズ６はカラーフィルタ３に近接して形成されている。

このようなマイクロレンズとカラーフィルタ層が近接した構成の固体撮像素子を使用していても、デジタルカメラなどのレンズ系を通して外部から固体撮像素子に入射した光は、固体撮像素子の受光部２に入射するが、光が必ずしも受光部２に垂直に入射するとは限らない。受光部２に斜めに入射した光は、入射すべき受光部ではなく、隣接する受光部に入射することによりクロストークが生じ、画質が劣化する。

また、カラーフィルタを備えた固体撮像素子では、このクロストークにより混色が発生することとなる。

また、固体撮像装置の画素数の増加に伴い、個々の画素に対応する光電変換素子である受光部のサイズが小さくなってくる事も、クロストークが起こり易い状況を作り出している。

クロストークを防止する技術として、例えば特許文献１には、半導体基板上にマトリクス状などに配列した受光部である個々の光電変換素子の上に形成されたカラーフィルタ層（ブラックマトリクスとカラーフィルタを含めた層）を画素毎に区画する区画層を備えた固体撮像素子が開示されている。その区画層は、最上部の金属層と樹脂で構成された区画本体層とそれらの層の間に形成された密着層を備えている。クロストークを防止する技術として優れているが、区画層が、金属層／密着層／区画本体層の３層構成となり、コスト面では優れているとは言えない。

また近年、次世代の撮像技術として、写真を撮った後で任意の位置に焦点を合わせることが可能なライトフィールドカメラ（Ｌｉｇｈｔ Ｆｉｅｌｄ Ｃａｍｅｒａ）の開発が進められている。この技術に必要な固体撮像素子としては、カラーフィルタ層が形成された光電変換素子とマイクロレンズが離間されている構成が求められる。従来の固体撮像素子の構成は、マイクロレンズ層／カラーフィルタ層／光電変換素子（受光部）であったが
、ライトフィールドカメラに要求される構成としては、マイクロレンズ層／間隙層／カラーフィルタ層／光電変換素子（受光部）となる。ここで、間隙層とは透明な層であり、撮像装置のレンズ系は、マイクロレンズ層に焦点を合わせるように設計されている。この間隙層によって、マイクロレンズ層と光電変換素子（受光部）が離間した状態で撮像することによって、写真を撮った後で任意の位置に焦点を合わせることが可能となる技術である。

この技術においてもクロストークを防止するために、この間隙層を含めた、より厚い層からなる区画層を形成することが必要となる。
しかしながら、区画層を１層の黒色感光性樹脂で形成する場合、厚さが１〜２μｍの区画層を形成するのが限界である。そのため、現状の固体撮像素子のクロストークを防止するための区画層を形成する事さえ困難な状況である。

特開２０１２−２０４３８７号公報

上記の事情に鑑み、本発明の課題は、固体撮像素子が、マイクロレンズ層／間隙層／カラーフィルタ層／光電変換素子なる構成であっても、クロストークを防止することができる固体撮像素子およびその製造方法を提供することである。

上記の課題を解決する手段として、本発明の請求項１に記載の発明は、固体撮像装置に使用する固体撮像素子であって、
光電変換素子がマトリクス状に形成されたイメージセンサデバイスと、
イメージセンサデバイスの上に形成された透明層である間隙部と、
間隙部の上に形成されたマイクロレンズと、を備えており、
隣接するマイクロレンズの間の間隙部には、光電変換素子を区画するように目合わせして形成された遮光性部が形成されていることを特徴とする固体撮像素子である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記イメージセンサデバイスの上に透明層である間隙部を形成する工程と、
間隙部の上にイメージセンサデバイスの光電変換素子に目合わせしてマイクロレンズを形成する工程と、
隣接するマイクロレンズの間に、前記光電変換素子を区画するように目合わせしてレーザー光を照射して透明な間隙部を着色し不透明に変化させることにより、間隙部の全厚さに亘って遮光性部を形成することで間隙部を区画する工程と、を備えていることを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

本発明の固体撮像素子によれば、マイクロレンズ層と光電変換素子上に形成された透明な間隙層が形成されていても、また画素容量が大きくなっても、固体撮像素子の感度を低下させずに、光電変換素子から間隙層に亘って遮光性部である区画層を形成できるため、クロストークを防止することができる。
また、本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、本発明の固体撮像素子を製造することが可能となる。

本発明の固体撮像素子の製造方法の一例を説明する概略説明図であって、（ａ）は光電変換素子である受光部が形成されたイメージセンサデバイスが形成された状態の半導体ウェハの断面図の例、（ｂ）は（ａ）の受光部に目合わせして形成されたブラックマトリクスとカラーフィルタからなるカラーフィルタ層が形成された状態、（ｃ）は（ｂ）のカラーフィルタ層の上に、透明な材料からなる間隙部が形成された状態、（ｄ）はカラーフィルタに目合わせしてマイクロレンズが形成された状態、（ｅ）は隣接するマイクロレンズの間に遮光性部による区画層が形成された状態、の例を示している。 従来の固体撮像素子の製造方法の一例を説明する概略説明図。

本発明の固体撮像素子について説明する。

＜固体撮像素子＞
本発明の固体撮像素子は、固体撮像装置に使用する固体撮像素子であり、光電変換素子がマトリクス状に形成されたイメージセンサデバイスと、イメージセンサデバイスの個々の光電変換素子である各受光部の上に目合わせして形成された色分解用のカラーフィルタと各カラーフィルタを区画するブラックマトリクスからなるカラーフィルタ層と、カラーフィルタ層の上に形成された透明層である間隙部と、間隙部の上に形成された各受光部に目合わせして形成されたカラーフィルタに目合わせして形成されたマイクロレンズと、を備えている。

本発明の固体撮像素子の特徴は、前記の透明層である間隙部がマイクロレンズとカラーフィルタ層の間に挿入されて、両者が従来の固体撮像素子より離間していても、クロストークを防止できるように、隣接するマイクロレンズの間の間隙部に、ブラックマトリクスに目合わせして形成された遮光性部が、間隙部の全厚さに亘って形成され、これによって区画されていることが特徴である。

＜固体撮像素子の製造方法＞
本発明の固体撮像素子の製造方法について、図１を用いて説明する。

図１（ａ）は、シリコンウェハなどの半導体ウェハを、ウェハプロセスを通すことによって作製したイメージセンサデバイス１が多面付けで形成されたイメージセンサデバイスウェハの断面の一部を例示した説明図である。

（カラーフィルタ層）
図１（ｂ）に示したように、イメージセンサデバイス１には、多数の光電変換素子である受光部２が、マトリクス状に形成され、１つ１つの受光部２には、赤、緑、青などの色分解用のカラーフィルタ３を受光部２に目合わせして形成する。１つ１つのカラーフィルタ３の間には、ブラックマトリクス４が形成された、カラーフィルタ層を形成する。

カラーフィルタ層の形成方法としては、特に限定する必要は無い。例えば、フォトリソグラフィ方式の製造方法としては、先ずイメージセンサデバイス１が多面付け形成されたイメージセンサデバイスウェハ上に、黒色の感光性樹脂層を形成し、所望のパターンを備えたフォトマスクを用いて露光し、現像することによって、ブラックマトリクスパターンを得ることができる。この様にして得たブラックマトリクスパターンを加熱処理することによって、耐久性を高くすることができる。

次に、同様にして、赤、緑、青の各感光性樹脂を塗布、乾燥、露光、現像の各工程を経て１色ずつ形成し、赤、緑、青のカラーフィルタ３を形成することができる。

フォトリソグラフィ方式の製造方法を説明したが、赤、緑、青の各カラーフィルタ３を
形成する場合に、インクジェット方式の製造方法をしてもカラーフィルタ３を製造する事が可能である。

このようにして形成したカラーフィルタ層の上に、透明樹脂の塗液を塗布、乾燥することによりオーバーコート層を形成することによって、カラーフィルタ層の表面に形成された凹凸、段差などを平坦化することができる。

（間隙部）
次に、図１（ｃ）に示したように、本発明の固体撮像素子では、カラーフィルタ層またはカラーフィルタ層の上に形成したオーバーコート層の上に、透明な層である間隙部５を形成する。

（マイクロレンズ）
次に、図１（ｄ）に示したように、間隙部５の上に、マイクロレンズ６をカラーフィルタ３に目合わせして形成する。
マイクロレンズ６の形成方法としては、特に限定する必要はなく、従来から使用して来た製造プロセスを適用可能である。

例えば、まず間隙部５の上に、マイクロレンズ６となる透明な樹脂層を塗布、乾燥後、その上に更にパターニング用の感光性樹脂層を形成し、所望のパターンを持つフォトマスクを用いて露光、現像して感光性樹脂パターンを形成後、その樹脂パターンの軟化温度を超える温度で処理することにより、樹脂パターンが軟化して半球形のレンズ様の樹脂パターンを形成できる。そのレンズ様の樹脂パターンをドライエッチングマスクとして、酸素プラズマなどのより、レンズ様の樹脂パターンをドライエッチングすることによって、下地の透明な樹脂層をマイクロレンズとして形成することができる。

（間隙部の遮光性部）
次に、図１（ｅ）に示したように、間隙部５のカラーフィルタ層のブラックマトリクス４と重なる位置に、レーザービームを照射することによって、間隙部５に着色や不透明化といった変化を生じせしめることによって、遮光性を備えた、遮光性部７させることができる。遮光性部７は間隙部５の表面からカラーフィルタ層に至るまで着色や不透明化により遮光性を備えた区画壁となり、クロストークを防止する役割を果たす。

レーザ光線はパルスレーザあるいは連続発振レーザを使用することができる。

（間隙部の材料）
このようなことが可能な間隙部５の材料としては、例えば、ガラス体あるいはレーザ光線に対して透明な材料の中に金属コロイドを混入してなる透明材料を使用することができる。

以上の様にして作製した本発明の固体撮像素子は、間隙部によって、マイクロレンズとカラーフィルタ層およびその下地にある受光部を離間させることが可能であり、また受光部の周囲を囲うように形成された間隙部の遮光性部によって、隣接するマイクロレンズからの光が遮光されるためクロストークを防止することが可能である。

１・・・イメージセンサデバイス
２・・・受光部
３・・・カラーフィルタ
４・・・ブラックマトリクス
５・・・間隙部
６・・・マイクロレンズ
７・・・遮光性部

Claims (2)

1. 固体撮像装置に使用する固体撮像素子であって、
   光電変換素子がマトリクス状に形成されたイメージセンサデバイスと、
   イメージセンサデバイスの上に形成された透明層である間隙部と、
   間隙部の上に形成されたマイクロレンズと、を備えており、
   隣接するマイクロレンズの間の間隙部には、光電変換素子を区画するように目合わせして形成された遮光性部が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記イメージセンサデバイスの上に透明層である間隙部を形成する工程と、
   間隙部の上にイメージセンサデバイスの光電変換素子に目合わせしてマイクロレンズを形成する工程と、
   隣接するマイクロレンズの間に、前記光電変換素子を区画するように目合わせしてレーザー光を照射して透明な間隙部を着色し不透明に変化させることにより、間隙部の全厚さに亘って遮光性部を形成することで間隙部を区画する工程と、を備えていることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。