JP4175169B2

JP4175169B2 - 固体撮像素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP4175169B2
Application number: JP2003126929A
Authority: JP
Inventors: 健蔵福吉; 忠石松; 啓介緒方; 智史北村
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2003-05-02
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2023-05-02
Also published as: JP2004335598A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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上に形成されるマイクロレンズに関するものであり、特に、マイクロレンズ表面及びマイクロレンズ間の非開口部からの反射光を抑え、且つ受光部までのマイクロレンズ下距離を短くして集光性、Ｓ／Ｎ比を改善したマイクロレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。この特開昭６０−５３０７３号公報には、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も詳細に開示されている。
【０００５】
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ＳｉＯ₂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。
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。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６０−５３０７３号公報
【特許文献２】
特開平１−１０６６６号公報
【特許文献３】
特許第２７１９２３８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図４（ａ）は、固体撮像素子の一例のマイクロレンズ側からの平面図であり、また、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＢ−Ｂ線での断面図である。
光電変換素子（５２）のピッチやサイズが微細ピッチ、例えば、３μｍ以下の場合、マイクロレンズ（５５）間の非開口部（マイクロレンズ間ギャップ）（４９）からの反射光の影響が大きくなる。この反射光は、固体撮像素子の上面に配設されてれいるカバーガラスや、さらにその上の光学レンズ群で再反射し隣接する他の光電変換素子に再入射して、画質低下に結びつくノイズ光となる。
【０００８】
また、一般に熱フロー方式で形成したマイクロレンズ（５５）は、屈折率が高く、マイクロレンズ（５５）の表面からの反射光の量もかなり大きく画質低下の原因となっていた。
本発明の第一の課題は、図４に示すマイクロレンズ間の非開口部（４９）、及びマイクロレンズ（５５）の表面からの反射光を極力低減させ、固体撮像素子のＳ／Ｎ比を改善し、画質向上を図ることにある。
【０００９】
図６に、公知技術による固体撮像素子の一例の断面図を示した。図６に示すように、光電変換素子（８２）上には、平坦化層（８４）、（８５）、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（７８）となっている。また、通常、マイクロレンズ（８６）は、屈折率１．６〜１．７程度の高屈折率樹脂で形成されている。マイクロレンズ（８６）からの入射光の集光性を向上させ、かつ、光電変換素子（８２）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（７８）を小さく（薄く）することである。
本発明の第二の課題は、レンズ下距離を小さくし、集光性の改善を図ることにある。
【００１０】
また、Ｃ−ＭＯＳ撮像素子は、その消費電力が小さく駆動回路をＣ−ＭＯＳ撮像素子とともに一体化した省スペースの素子が造れることから、最近注目を集めている。しかし、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（７８）を小さくするためには不利な構成といえる。
また、低コスト化を目的に画素ピッチ（光電変換素子のピッチと同じ）を小さくする傾向にもあるが、Ｃ−ＭＯＳ撮像素子の場合に画素ピッチが小さくなると、小さな画素ピッチで、且つレンズ下距離（７８）がかなり大きくなる。
【００１１】
このため、マイクロレンズ（８６）の厚み（レンズ高さ（７７））は、０．５μｍ〜０．３μｍといった薄いものとなってしまう。ところが、熱フローによってマイクロレンズを製造する方法では、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ることが本発明者らによって明らかにされている。
すなわち、マイクロレンズは、熱フロー性、感光性、アルカリ可溶性のレンズ材料を公知のフォトリソグラフィでパターン形成し、この後、熱処理をして熱フローさせ略半球状に加工するが、薄すぎるパターンでは熱処理をしても略半球状になりにくい。
【００１２】
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てしまうといった問題がある。
本発明の第三の課題は、レンズ下距離を小さくすることによって、実質的なレンズ厚みを前記０．５μｍ〜０．３μｍから０．５μｍ以上のものとして、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である。また、同じ課題への対応となるが、一般に、マイクロレンズには、１．６〜１．７の範囲の高屈折率の樹脂を用いるが、用いる樹脂の屈折率を下げることにより、高屈折率の樹脂の場合よりもレンズを厚くすることができる。
【００１３】
マイクロレンズの材料として広く用いられている、例えば、フェノール樹脂を骨格とした高屈折率の樹脂は、耐熱性にやや乏しく、２００℃〜２１０℃にて熱処理を行うと、特に可視領域内の短波長側での透過率が低下し、マイクロレンズが変色してしまう。
本発明の第四の課題は、今後、固体撮像素子を、屋外での更に厳しい条件下などの用途に展開する上で必要となる耐熱性の改善、或いは固体撮像素子を搭載する際の、更に厳しい処理条件に適応した耐熱性の改善を図ることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも光電変換素子と、カラーフィルタと、略半球状のマイクロレンズを２次元的に配置した固体撮像素子において、該カラーフィルタ上面上にフッ素系アクリル樹脂からなるマイクロレンズが形成され、該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薄膜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。
【００１５】
また、本発明は、少なくとも光電変換素子と、カラーフィルタと、略半球状のマイクロレンズを２次元的に配置した固体撮像素子の製造方法において、
１）半導体基板の光電変換素子上に、色素を色材とした感光性着色レジストを用い、フォトリソグラフィによって複数色のカラーフィルタを形成する工程、
２）該複数色のカラーフィルタ上に、フッ素系アクリル樹脂の塗布液を用いて透明樹脂層を形成する工程、
３）該透明樹脂層上に、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、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する工程、
４）該レンズ母型上に、ドライエッチングを行い、透明樹脂層へレンズ母型パターンを転写し、該複数色のカラーフィルタ上の透明樹脂層をマイクロレンズとし、同時に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薄膜を形成する工程、
を具備することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による固体撮像素子及びその製造方法を、その実施の形態に基づいて説明する。
図１は、本発明による固体撮像素子の一実施例の平面図である。図２は、図１のＢ−Ｂ線での断面図、図３は、図１のＡ−Ａ線での断面図である。図１、図２、及び図３に示すように、本発明による固体撮像素子は、カラーフィルタ（３３）上面上にフッ素系アクリル樹脂からなるマイクロレンズ（３６）が形成されており、マイクロレンズ間の非開口部（３９）にはフッ素系アクリル樹脂の薄膜（３７）が形成されている。
【００１７】
本発明におけるマイクロレンズ（３６）の厚み（Ｔ１）は、特に規定するものではない。マイクロレンズ（３６）の厚み（Ｔ１）は、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。透明樹脂層の厚みの上限は、本発明が微細な画素ピッチを対象としていることから、１μｍより厚く形成する必要はなく、これが略上限となる。
カラーフィルタ（３３）の厚み（Ｔ２）は、目的とする色分離に必要なカラーフィルタの膜厚で良く、これも特に規定する必要はない。一般には、０．５μｍ〜１．５μｍの範囲内で対応可能である。
【００１８】
カラーフィルタ（３３）上面上の、マイクロレンズ間の非開口部（３９）に形成する透明樹脂の薄膜（３７）は、屈折率の低い透明樹脂材料（低屈折率樹脂）であることが望ましい。カラーフィルタ（３３）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。故に、透明樹脂の薄膜の膜厚は、カラーフィルタ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。このことによって、非開口部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。
【００１９】
本発明は、マイクロレンズ（３６）及び上記薄膜（３７）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したものである。
また、本発明は、マイクロレンズ（３６）及び上記薄膜（３７）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たものである。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。
【００２０】
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。
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難しいが、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。
【００２１】
【数１】

【００２２】
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。
【００２３】
【実施例】
以下に、本発明による固体撮像素子の製造方法を実施例にて詳細に説明する。
＜実施例１＞
実施例１の固体撮像素子は、図５（ｃ）に示すように、半導体基板（３１）上に光電変換素子（３２）、カラーフィルタ（３３）とフッ素系アクリル樹脂からなるマイクロレンズ（３６）が形成されたものである。図５は、図１におけるＡ−Ａ線での断面図である。
【００２４】
実施例１において、カラーフィルタ（３３）、および平坦化層（３４）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た。透明樹脂層（３５）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た。
尚、カラーフィルタ（３３）は、これに含まれる色材の関係で正確な屈折率測定は比較的難しいが、Ｒ（赤）の７００ｎｍでの屈折率は、１．６１であった（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）。
カラーフィルタ（３３）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。なお、実施例１の色配列は、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、図１に示す、いわゆるベイヤー配列とした。
【００２５】
実施例１のマイクロレンズ（３６）のピーク厚み（中央部）（Ｔ１）は、非開口部（３９）に残した薄膜（３７）の厚み約０．１μｍを差し引いて、約０．８μｍに設定した。カラーフィルタ（３３）のみの厚みは０．８μｍとした。実施例１でのレンズ下距離は、約３．３μｍと従来５．５μｍの６０％と極めて小さくなった。
なお、カラーフィルタ（３３）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た。
【００２６】
図５（ａ）に示すように、光電変換素子（３２）や遮光膜、パッシベーションを形成した半導体基板（３１）上に、平坦化層（３４）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カラーフィルタ（３３）を形成した。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た。
【００２７】
次に、図５（ｂ）に示すように、カラーフィルタ（３３）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、透明樹脂層（３５）を形成した。
透明樹脂層（３５）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（２０）とした。熱フロー処理時の温度は２００℃とした。
【００２８】
次に、レンズ母型（２０）を形成した半導体基板を、ドライエッチング装置にて、Ｏ₂ガスによるエッチング処理を行った。基板温度常温、圧力１．２Ｐａ、ＲＦパワー５００Ｗ、バイアス２００Ｗにてエッチング処理を行った。
なお、マイクロレンズ（３６）間の非開口部には、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５（ｃ）に示す固体撮像素子とした。
【００２９】
図１、及び図２に、固体撮像素子の非開口部（３９）が示されている。図２は、図１のＢ−Ｂ線での断面図である。非開口部（３９）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（３９）からの再反射光を大きく軽減できた。
【００３０】
実施例１の固体撮像素子と、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。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。
【００３１】
実施例１の固体撮像素子は、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、実施例１の固体撮像素子が従来例の半分以下と低い反射光強度値であった。
なお、実施例１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。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は、カラーフィルタ上面上にフッ素系アクリル樹脂からなるマイクロレンズが形成され、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薄膜が形成されている固体撮像素子であるので、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、画質を向上させた固体撮像素子となる。
また、レンズ下距離を小さくして集光性を改善した、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、耐熱性を改善した固体撮像素子となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体撮像素子の一実施例の平面図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ線断面面である。
【図３】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】（ａ）は、固体撮像素子の一例のマイクロレンズ側からの平面図である。
（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ線での断面図である。
【図５】本発明による固体撮像素子の製造方法の実施例の説明図である。
【図６】公知技術による固体撮像素子の一例の断面図である。
【符号の説明】
３１、５１、８１…半導体基板
３２、５２、８２…光電変換素子
３３、８３…カラーフィルタ
３４、３５、８４、８５…平坦化層
３５…透明樹脂層
３６、５５…マイクロレンズ
３７…薄膜
３９、４９…非開口部
Ｔ１…マイクロレンズの厚み（レンズ高さ）
Ｔ２…カラーフィルタの厚み
２０…レンズ母型
７８…レンズ下距離

Claims

少なくとも光電変換素子と、カラーフィルタと、略半球状のマイクロレンズを２次元的に配置した固体撮像素子において、該カラーフィルタ上面上にフッ素系アクリル樹脂からなるマイクロレンズが形成され、該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薄膜が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
少なくとも光電変換素子と、カラーフィルタと、略半球状のマイクロレンズを２次元的に配置した固体撮像素子の製造方法において、
１）半導体基板の光電変換素子上に、色素を色材とした感光性着色レジストを用い、フォトリソグラフィによって複数色のカラーフィルタを形成する工程、
２）該複数色のカラーフィルタ上に、フッ素系アクリル樹脂の塗布液を用いて透明樹脂層を形成する工程、
３）該透明樹脂層上に、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、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する工程、
４）該レンズ母型上に、ドライエッチングを行い、透明樹脂層へレンズ母型パターンを転写し、該複数色のカラーフィルタ上の透明樹脂層をマイクロレンズとし、同時に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薄膜を形成する工程、
を具備することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。