JP4582290B2

JP4582290B2 - 固体撮像素子とその製造方法

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Publication number: JP4582290B2
Application number: JP2004018005A
Authority: JP
Inventors: 健蔵福吉; 忠石松; 智史北村; 啓介緒方; 充宏中尾
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: JP2005216897A

Description

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に関するものであり、特に固体撮像素子表面のマイクロレンズ間の露出面からの反射光を低減して画質改善を行った固体撮像素子に関する。

CCDなどの受光素子の光電変換に寄与する領域（開口部）は、素子サイズや画素数にも依存するが、その全面積に対し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ため、これを補うために受光素子上に集光のためのマイクロレンズを形成することが一般的である。

しかしながら、近時、300万画素を超える高精細CCD固体撮像素子への要求が高度となり、これら高精細CCDにおいて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）およびフレア、ゴースト、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。

マイクロレンズ形成技術については、公知の技術として例えば、特許文献１に詳細に示されている。特許文献１には、レンズを丸く半球状に形成する技術として熱フロー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技術によりレンズを加工する技術も詳細に開示されている。加えて、レンズ表面にPGMAなどの有機膜やOCD（SiO2系）の無機膜の形成なども開示されている。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許文献２に記載されている。
特開昭60-53073号公報特開平1-10666号公報

このような固体撮像素子において、撮像素子デバイス表面とカバーガラス内面との再反射光・散乱光が、ノイズの一因となるという問題がある。特に３μm以下の微細画素において、マイクロレンズ非開口部からの反射光の悪影響が強くなる。この反射光は、撮像素子の上部に配設されているカバーガラスや、さらにその上の光学レンズ群からの再反射光となって近傍の他の撮像素子に再入射して画質低下に結びつくノイズ光となる。

本発明の課題は、３μm以下の微細画素であっても、反射光の影響が少なく、S/N比の高画質の固体撮像素子を提供することにある。

また、３μm以下、特に２μm近傍の微細画素に至っては、隣接する画素のカラーフィルター膜厚が厚い場合、カラーフィルタの凹凸を平坦にする平坦化層（アンダーコート層）がある場合、あるいは色の異なるカラーフィルターに著しい膜厚差がある場合に、斜め入射光の影響で混色しやすく感度低下に結びつく問題があった。携帯電話向け撮像素子など広い入射角を必要とする固体撮像素子では、上記は大きな課題であった。

本発明のもう一つの課題は、３μm以下微細画素での混色を軽減し、高画質の固体撮像素子を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１においては、２次元的に配置された光電変換素子と、該光電変換素子のそれぞれに積層されたカラーフィルターと、前記カラーフィルターが一部曲面を有する凸部を有し、前記凸部上に透明樹脂を有し、前記凸部と前記透明樹脂とで半球状のマイクロレンズを形成した固体撮像素子であって、前記マイクロレンズ間のギャップが０．１μｍ以下であり、前記マイクロレンズ間にカラーフィルターの露出面があり、該カラーフィルターの露出面の表面及び該マイクロレンズの表面が０．
０１μｍ以上０．１μｍ以下に粗化されて反射率が低減されていることを特徴とする固体撮像素子である。

また、本発明は、２次元的に配置された光電変換素子と、該光電変換素子のそれぞれに積層されたカラーフィルターと、前記カラーフィルターが一部曲面を有する凸部を有し、前記凸部上に透明樹脂を有し、前記凸部と前記透明樹脂とで半球状のマイクロレンズを形成した固体撮像素子の製造方法であって、色の異なるカラーフィルターの画素中央の膜厚の差が０．２μｍ以下であるカラーフィルタ上に透明樹脂を形成し該透明樹脂上に第２の樹脂のパターンを形成し、前記パターンを熱フローすることで半球間にギャップを有する
半球状のレンズ母型を形成する工程、フロン系ガスでドライエッチングすることにより、前記レンズ母型の形を前記透明樹脂及び前記カラーフィルターに転写してレンズ間のギャップが０．１μｍ以下のマイクロレンズと該マイクロレンズ間のカラーフィルタの露出面を形成し、該マイクロレンズと該カラーフィルタの露出面を０．０１μｍ以上０．１μｍ以下に粗化する工程を有し、前記透明樹脂に、レンズ母型を形成する樹脂のエッチングレートより速いレートをもつ透明樹脂を用いることを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

本発明において、カラーフィルターのカラーフィルターの膜厚に大きな差があるとドライエッチングの量によっては、マイクロレンズの開口率、感度や色純度に影響を与えるため、カラーフィルターの画素中央膜厚差は、0.2μm以内であることが望ましい。

本発明において、カラーフィルターのカラーフィルターの膜厚に大きな差があるとドライエッチングの量によっては、マイクロレンズの開口率や色純度に影響を与えるため、カラーフィルターの画素中央膜厚差は、0.2μm以内であることが望ましい。透明樹脂及び、カラーフィルターの色の違いによりエッチングレートに若干の差があり、カラーフィルター膜厚差を補う深いエッチングでは、マイクロレンズ形状に悪影響を及ぼす傾向があるため、この膜厚差は、極力小さいことが好ましい。

本発明は、固体撮像素子表面からの反射光を減らすと同時に、隣接する画素の干渉（正面入射光による１の色と、斜め入射光による他の色との混色）を大きく減らして高画質の撮像素子を提供することができる。

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１〜図６に本発明による固体撮像素子の実施例の部分断面図及び部分平面図を示した。図１は、図４におけるA-A'方向の部分断面図であり、図２は、図４におけるB-B'対角方向の部分断面図である。図２は、対角方向となるため、マイクロレンズ間の露出面（レンズ間平坦部）23は、図１レンズ間ギャップ13と比較して広い寸法となる。また、図６(ａ)〜(ｂ)に本発明による固体撮像素子の製造方法を工程順に断面図で示した。

本発明は、図１、図２に示すように光電変換素子16を形成せしめた半導体基板15に平坦化層14、カラーフィルター12、カラーフィルター12の一部をレンズとして利用するマイクロレンズ11で形成されている。図２に示すマイクロレンズ12の2次元配列対角方向のレンズ間ギャップ23は、大まかに平坦であるものの粗化したカラーフィルター12の表面が露出する構造となる。図３に60度斜め方向からの電子顕微鏡観察によるSEM像を示した。本発明による固体撮像素子のマイクロレンズ31の表面、及び、レンズ間平坦部30に露出するカラーフィルターの表面は、およそ0.1μm〜0.01μm程度に粗化してある。また、参考のために、図９に表面を粗化していない（ドライエッチング処理無し）の電子顕微鏡写真を示す。

表１に、本発明による固体撮像素子の可視光（400nm〜700nm）の反射率を、カラーフィルター表面0.05μmドライエッチング処理のもの、0.3μmドライエッチング処理と、比較例としてドライエッチング処理を施さない表面にてそれぞれの反射率低減効果（％）を示した。カラーフィルター（CF）を合わせてエッチングすることで、１％〜２％前後反射率の低減を得ることができる。反射率低下は、再反射光を減少させ画質向上につなげることができる。

図７に隣接する画素のカラーフィルター端部にかかる斜め入射光が、隣の画素に入射して混色、感度低下に結びつく要因を示した。本発明は、図１に示したように、マイクロレンズ間に露出するカラーフィルター凹部曲面の延長線（接線17）上に位置する余分なカラーフィルター部分を除去することにより、斜め入射光18も取り込むことの可能な広い入射角を確保でき、感度改善につなげることができる。

図８にドライエッチングガスとして、酸素（O2）を使用したときのカラーフィルターの表面状況を電子顕微鏡写真として示した。酸素では、マイクロレンズの一部として、色材を有機顔料とするカラーフィルターの曲面加工が困難で、突起状になってしまうことが示されている。本発明者らは、カラーフィルターの加工性あるガスを探索した結果、CF4、C3F8、C4F8などに代表されるフロン系ガスが好ましいことを見いだした。これらの単一ガスをドライエッチングガスとして用いることも可能であり、あるいは、フロン系の混合ガスとして用いても良い。なお、単一ガスあるいは混合ガスとして、C/Fの比率が高い（カーボン比率が高い）方が、マイクロレンズギャップを小さくする効果（CDゲイン）が大きく、ドライエッチングガスとして向いている。特に、カラーフィルターのエッチングには、これらフロン系ガスが好適である。エッチング分布改善のためにヘリウムやアルゴン、一酸化炭素などのガスを併用しても良い。ドライエッチング時に対象の基板を冷却したり加温したり、あるいは、冷却しても良い。ドライエッチングは、装置依存性が強いが、それぞれの装置によりエッチング時のガス圧、パワー、ガス流量、電極間距離を適宜調整すればよい。

また、本発明者らは、図６(ｄ)に示すレンズ母型59を、その下地である透明樹脂58にドライエッチングで形状転写する際、透明樹脂を選択することでマイクロレンズギャップを小さくする効果（CDゲイン）を向上させることが可能であることを見いだした。具体的には、レンズ母型に用いる樹脂のエッチングレートより速いレートを持つ透明樹脂を選択することで、CDゲインの向上が可能である。

本発明者らが、レンズ母型下地に複数種の透明樹脂を用いた時のCDゲインを表２に示した。レンズ母型は、熱フロー性を保有し、かつ、フォトリソグラフィのプロセスでレンズ形成可能なフェノール系樹脂を使用して形成した。図６(d)に示す熱フローによるレンズ形成によるレンズ母型ギャップ53は、0.3μm前後となる。

狭いレンズ母型ギャップでの形成が、本来は好ましいが、0.3μmギャップ以下でのレンズ形成は、レンズ融着の欠陥（レンズ同士が互いにくっつく不良）を生じやすい。表２に示すアクリル樹脂を透明樹脂58に用いることにより、0.3μmで形成したレンズ母型ギャップを、0.1〜０μm付近の狭ギャップでのマイクロレンズとして加工できることになる。透明樹脂種類による狭ギャップ効果差／CDゲインは以下の通りである。

以下、本発明に関わる固体撮像素子を詳細に説明する。

図１に、光電変換素子16が形成された半導体基板15上に平坦化層14、カラーフィルター12、マイクロレンズ11を形成した。カラーフィルター12は、マイクロレンズ11を延長する形の曲面19を持ち、曲面19の接線17は隣接する光電変換素子16に入射しない構成とした。同時に、マイクロレンズ11及びカラーフィルター12は、図３に示すように粗化された表面とした。マイクロレンズ11対角方向のレンズ間平坦部23、33は、図２、図３に示すように同様に粗化した表面とした。光の反射率は、粗化させたことにより、400nmから700nm可視光領域で平均1.4％低下した。

図５及び図６(ａ)〜(ｄ)を用いて、本発明の製造方法を説明する。

図６(ｂ)に示すように、光電変換素子56が形成された半導体基板55上に平坦化層54を形成する。平坦化層54は、紫外線吸収剤を含有するアクリル樹脂をスピンコートにて塗布し、乾燥・硬膜し、膜厚0.6μmで形成した。図６(ｃ)に示すように、平坦化層54上にG（緑）、B（青）、R（赤、図示せず）３色のカラーレジストを用いて、カラーフィルター52をそれぞれ膜厚0.9μmで形成した。カラーレジストを用いた形成方法は、カラーレジストの塗布→乾燥→露光→現像→硬膜の公知のフォトリソグラフィーのプロセスにて行った。なお、当実施例のカラーフィルターは、色材を有機顔料とし、バインダー樹脂はアクリル樹脂を用いた。

図６(ｄ)に示すようにアクリルの透明樹脂58をカラーフィルター52上に0.8μm厚みで形成した。さらに、透明樹脂58の上には、フェノール樹脂によるレンズ母型59を形成した。レンズ母型59の材料は、感光性・アルカリ現像性・熱フロー性をもつフェノール樹脂にて、塗布→乾燥→露光→現像→熱フロー→硬膜の公知のプロセスにて形成した。レンズ母型59の半球状の形状は、200℃の加熱による熱フローでフェノール樹脂を、流動化させて丸く加工するものである。

図６(ｄ)に示す構成の半導体基板58を、CF4とC3F8、1:1の混合ガスを用いてドライエッチング加工した。レンズ母型59の形状は透明樹脂58に、ほぼ同じ形状、かつ、やや大きめのサイズにて完全転写（ドライエッチングのあと、レンズ母型59そのもは、残らないでカラーフィルター52の一部とマイクロレンズ51に形状が転写されることを言う）された。ドライエッチング量は、透明樹脂に用いたアクリル樹脂換算で0.95μmとし、図５に示す本発明の固体撮像素子とした。図５に示すカラーフィルター52は、その端部がマイクロレンズ51の曲面を延長する形状になった。当実施例では、図５に示す曲面の接線57は、遮光層60に遮られ、隣接する光電変換素子56に入射しなかった。光の反射率は、端部をマイクロレンズの曲面を延長した形状としたことにより、400nmから700nm可視光領域で平均1.5％低下した。

本発明による固体撮像素子の実施例の部分断面図である。本発明による固体撮像素子の実施例の部分断面図である。本発明による固体撮像素子の表面の電子顕微鏡写真である。本発明による固体撮像素子の実施例の部分平面図である。本発明による固体撮像素子の実施例の部分断面図である。本発明による固体撮像素子の製造方法の説明図である。従来例の固体撮像素子の部分断面図である。酸素ガスエッチングによる固体撮像素子の表面の電子顕微鏡写真である。ドライエッチング未処理の固体撮像素子の表面の電子顕微鏡写真である。

符号の説明

11, 31，41，51 ・・・マイクロレンズ
12，52 ・・・カラーフィルター
13，53 ・・・レンズ間ギャップ
14，54 ・・・平坦化層
15，56 ・・・半導体基板
16，56，66 ・・・光電変換素子
17，57 ・・・接線
18，68 ・・・斜め入射光
23，30，40 ・・・マイクロレンズ間の露出面
59 ・・・レンズ母型

Claims

２次元的に配置された光電変換素子と、該光電変換素子のそれぞれに積層されたカラーフィルターと、前記カラーフィルターが一部曲面を有する凸部を有し、前記凸部上に透明樹脂を有し、前記凸部と前記透明樹脂とで半球状のマイクロレンズを形成した固体撮像素子であって、前記マイクロレンズ間のギャップが０．１μｍ以下であり、前記マイクロレンズ間にカラーフィルターの露出面があり、該カラーフィルターの露出面の表面及び該マイクロレンズの表面が０．０１μｍ以上０．１μｍ以下に粗化されて反射率が低減されていることを特徴とする固体撮像素子。
２次元的に配置された光電変換素子と、該光電変換素子のそれぞれに積層されたカラーフィルターと、前記カラーフィルターが一部曲面を有する凸部を有し、前記凸部上に透明樹脂を有し、前記凸部と前記透明樹脂とで半球状のマイクロレンズを形成した固体撮像素子の製造方法であって、色の異なるカラーフィルターの画素中央の膜厚の差が０．２μｍ以下であるカラーフィルタ上に透明樹脂を形成し該透明樹脂上に第２の樹脂のパターンを形成し、前記パターンを熱フローすることで半球間にギャップを有する半球状のレンズ母型を形成する工程、フロン系ガスでドライエッチングすることにより、前記レンズ母型の形を前記透明樹脂及び前記カラーフィルターに転写してレンズ間のギャップが０．１μｍ以下のマイクロレンズと該マイクロレンズ間のカラーフィルタの露出面を形成し、該マイクロレンズと該カラーフィルタの露出面を０．０１μｍ以上０．１μｍ以下に粗化する工程を有し、前記透明樹脂に、レンズ母型を形成する樹脂のエッチングレートより速いレートをもつ透明樹脂を用いることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。