JP4852921B2

JP4852921B2 - 固体撮像素子及びその製造方法

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Publication number: JP4852921B2
Application number: JP2005215597A
Authority: JP
Inventors: 健蔵福吉; 忠石松; 充宏中尾
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2025-07-26
Also published as: JP2007035837A

Description

本発明は、Ｃ−ＭＯＳやＣＣＤに代表される固体撮像素子とその製造方法に関する。特に、多数の光電変換素子と、入射光を光電変換素子に集光させる凸型マイクロレンズとを備える固体撮像素子とその製造方法に関するものである。

周知のように、固体撮像素子は、基板表面を多数の画素領域に区画し、この画素領域のそれぞれに光電変換素子を配置して、この光電変換素子に入射した光線を電気信号に変換することにより、画像を撮影するものである。基板表面には、光電変換素子の外に、この光電変換素子を駆動・制御する配線等を配置する必要があるから、この基板表面を光電変換素子で埋め尽くすことはできない。そして、前記配線等の駆動・制御部位に向けて入射した光線を光電変換素子で受光してその感度を向上させるため、前記入射光線を光電変換素子に集光させる凸型マイクロレンズを備える固体撮像素子も周知である。

凸型マイクロレンズを備える固体撮像素子は、例えば、図８の拡大断面図に示すような形状をしている。すなわち、基板１表面は、多数の画素領域ａに区分されており、この画素領域ａのそれぞれは、そのほぼ中央に設けられた光電変換素子ｂと、駆動・制御部位ｃとで構成されている。そして、この画素領域ａごとに、かつ、それぞれの画素領域ａとほぼ同一面積の凸型マイクロレンズ２を備えている。この凸型マイクロレンズ２の頂点は画素領域ａの中央にあり、従って、凸型マイクロレンズ２の光軸も画素領域ａの中央にある。基板１に垂直に入射した光線は、この光軸方向に屈折され、光電変換素子ｂに入射する。

なお、図中、３はカラーフィルタ層であり、このカラーフィルタ層３によって、その画素に不要な色成分の光線を除去し、必要な色成分の光線を選択的に透過させて、光電変換素子ｂに入射させる。必要な色成分としては、一般に、光の三原色（赤色、緑色、青色）の組み合わせのカラーフィルタが多く用いられており、あるいはこの三原色の補色に相当する三色（イエロー、マゼンタ、シアン）が利用されており、これらイエローのカラーフィルタ層３Ｙ、マゼンタのカラーフィルタ層３Ｍ、シアンのカラーフィルタ層３Ｃを、画素ごとに配列することにより、カラー画像の撮影を可能としている。また、図中、４は基板表面を平坦化する平坦化層である。

このような凸型マイクロレンズ２を形成する方法には、種々の方法が知られている。例えば、基板１上に透明樹脂を塗布し、凸型マイクロレンズ２を反転した表面形状を有する金型を熱圧して透明樹脂を賦形し、凸型マイクロレンズ２とする方法である（特許文献１参照）。もっとも、微細な凸型マイクロレンズ２形状を反映した金型の作製には、高度の熟練と高いコストを要するため、この方法は商業的には実用化されていない。

また、いわゆる熱リフロー法によって凸型マイクロレンズ２を形成することもできる。この熱リフロー法を、図面を参照して説明すると、図９Ａに示すように、まず、基板１上に、感光性透明樹脂を塗布してその層５を形成する。次に、この感光性透明樹脂層５を露光・現像して、画素領域と画素領域との境界近傍の感光性透明樹脂層５を除去する（図９Ｂ参照）。そして、残存する感光性透明樹脂層５’を加熱してその表面を溶融させる。溶融した感光性透明樹脂は、その表面張力に基づいて球面状に変形する。こうして球面状に変形した感光性透明樹脂層５’を凸型マイクロレンズ２として利用することができる。

また、この熱リフロー法によって球面状に変形させた感光性樹脂層を母型として利用し
て凸型マイクロレンズ２を形成する方法も、転写法の名で知られている。この転写法を、図面を参照して説明すると、まず、基板１上に、凸型マイクロレンズ２の材料を構成する透明材料６を積層する。次に、この透明材料６の上に、必要に応じてエッチング制御層７を設けた後、感光性樹脂を塗布してその層８を形成する（図１０Ａ参照）。ここで、感光性樹脂は透明であっても良いが、透明である必要はない。次に、この感光性樹脂層８を露光・現像して、画素領域と画素領域との境界近傍の感光性樹脂層８を除去する（図１０Ｂ参照）。そして、残存する感光性樹脂層８’を加熱して溶融させ、球面状に変形させる（図１０Ｃ参照）。次に、基板１に対して垂直の方向から異方性エッチングを施す。この異方性エッチングによって、残存する球面状感光性樹脂層８’とエッチング制御層７とが侵食除去されると共に、透明材料層６も侵食される。透明材料層６の侵食される深さは球面状感光性樹脂層８’の各部分の膜厚を反映するため、その形状、すなわち、球面形状を透明材料層６に転写することができる。こうして球面形状に加工された透明材料層６を凸型マイクロレンズ２として利用することができる（特許文献２，３参照）。なお、異方性エッチングとしては、例えば、フロロカーボーンガスや酸素ガスを含むガスを使用したドライエッチング等が知られている。
特開昭５７−１２４４８５号公報特開昭６０−５３０７３号公報特開昭６４−１０６６６号公報

ところで、固体撮像素子は、その解像度の点から、画素ピッチが小さく、したがって、光電変換素子の配列密度が大きい方が好ましい。そして、近年、画素ピッチはいよいよ小さくなりつつある。そして、このため、光電変換素子の位置を画素領域の中央ではなく、その一方に片寄らせた固体撮像素子が提案されている。

図１１は、このような光電変換素子の配列を説明するための説明用平面図である。すなわち、図中、１点鎖線は画素領域同士の境界を示しており、この境界線で囲まれた画素領域のそれぞれに、光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４，ｂ２１，‥が配列されている。画素領域内のその他の部位は駆動・制御部位ｃ１１，ｃ１２，ｃ１３，ｃ１４‥である。

ここで、図中、中央に位置する光電変換素子ｂ１３に注目すると、その右側に位置する光電変換素子ｂ１４は比較的離れた位置に配置されており、これに比較して左側に位置する光電変換素子ｂ２４は比較的近い位置に配置されている。そして、離れた位置に配置された光電変換素子ｂ１３と光電変換素子ｂ１４との間に、この両光電変換素子ｂ１３，ｂ１４に共通する駆動・制御部位ｃ１３，ｃ１４が配置されている。

また、図中、光電変換素子ｂ１３の上側に位置する光電変換素子ｂ１２は比較的離れた位置に配置されており、これに比較して左側に位置する光電変換素子ｂ４１は比較的近い位置に配置されている。そして、離れた位置に配置された光電変換素子ｂ１３と光電変換素子ｂ１２との間に、この両光電変換素子ｂ１３，ｂ１２に共通する駆動・制御部位ｃ１３，ｃ１２が配置されている。

すなわち、この図に示す配列では、駆動・制御部位を縦横に配列し、その交点の周囲に位置する４つの光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４に接続したものである。そして、このように４つの光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４を１単位として、
これらに共通する駆動・制御部位ｃ１１，ｃ１２，ｃ１３，ｃ１４を集中して配列したため、これら駆動・制御部位ｃ１１，ｃ１２，ｃ１３，ｃ１４の占有面積を小さくすることができ、前記画素ピッチを小さくしている。

しかしながら、このように、画素領域の片側に光電変換素子を寄せて配置した固体撮像素子の上に凸型マイクロレンズを形成すると、この凸型マイクロレンズは頂点が中央にあり、また、光軸が中央にあって入射光線がこの光軸方向に屈折されるため、却ってこの屈折光が光電変換素子から逸れてしまうことがあった。そして、このため、固体撮像素子の感度を必ずしも向上させることができないという問題があった。

そこで、本発明は、光電変換素子が画素領域内で片寄った位置に配置された場合であっても、入射光線を確実に光電変換素子に集光して、その感度を向上させた固体撮像素子とその製造方法を提供することを目的とするものである。

すなわち、請求項１に記載の発明は、表面を多数の正方形の画素領域に区画され、これら画素領域のそれぞれの中央から片寄せて光電変換素子が配置された基板と、それぞれの画素領域内に、画素領域と等しい前記光電変換素子より大面積に配置され、入射光を光電変換素子に集光させる凸型マイクロレンズとを備える固体撮像素子において、
前記凸型マイクロレンズが光電変換素子に対しカラーフィルタの外側に具備されており、かつ、前記凸型マイクロレンズの頂点が、光電変換素子側を片寄せた側と反対側に画素領域の中央から片寄った位置にあり、前記凸型マイクロレンズの曲率半径が、光電変換素子側では大きく、その反対側では光電変換素子側より小さいことを特徴とする固体撮像素子である。

画素は固体撮像素子で撮影される画像を構成する最小単位であり、画素領域はこの画素に対応する固体撮像素子表面の単位領域である。一般に、それぞれの画素領域に入射した光は凸型マイクロレンズによって屈折され、対応する光電変換素子に入射して受光される。このように、それぞれの凸型マイクロレンズの配置されている領域は前記画素領域にほぼ等しい。

前述のように、複数の光電変換素子に共通する駆動・制御部位を集中して配置して、これら複数の光電変換素子に接続した場合には、光電変換素子を前記画素領域内の中央に配置することができず、画素領域内の片寄った位置に配置される。請求項１に記載の発明においては、前記凸型マイクロレンズの曲率半径が光電変換素子の反対側では比較的小さく、その曲率（曲率半径の逆数）が大きく、従って強く屈折されるため、この凸型マイクロレンズで屈折された屈折光は離れた位置にある光電変換素子に到達する。他方、凸型マイクロレンズの曲率半径は光電変換素子側では比較的大きく、従って、その屈折角が小さいため、入射位置の直下にあるか、そうでなくても近い位置にある光電変換素子に到達する。このように、光電変換素子が前記画素領域内の片寄った位置に配置されているにも拘らず、対応する画素領域に入射した光線は確実に光電変換素子に到達する。そして、このため、固体撮像素子に入射する光線を十分に利用して、その感度を高めることが可能となるのである。

請求項１に記載の発明によれば、凸型マイクロレンズの頂点が光電変換素子側とは反対側に片寄った位置にあるため、この頂点近傍に入射した光線は凸型マイクロレンズによって屈折されて、離れた位置にある光電変換素子に到達する。このため、固体撮像素子に入射する光線を十分に利用して、その感度を高めることが可能となるのである。

次に、本発明に係る固体撮像素子は、熱リフロー法、転写法のいずれの方法でも製造することができる。請求項２〜３に記載の発明は、このような事情に基づいてなされたものである。

次に、請求項２に記載の発明は、熱リフロー法による製造方法に関するもので、表面を正方形の多数の画素領域に区画され、これら画素領域のそれぞれの中央から片寄せて光電変換素子が配置された基板上に感光性透明樹脂層を積層する工程と、この感光性透明樹脂層をパターン状に露光し、現像してパターン状感光性透明樹脂層を形成する工程と、このパターン状感光性透明樹脂層を加熱して、入射光を光電変換素子に集光させる凸型マイクロレンズを形成する工程とを備えた、前記凸型マイクロレンズが光電変換素子に対しカラーフィルタの外側に具備されており、かつ、前記凸型マイクロレンズの頂点が、光電変換素子側を片寄せた側と反対側に画素領域の中央から片寄った位置にあり、前記凸型マイクロレンズの曲率半径が、光電変換素子側では大きく、その反対側では光電変換素子側より小さい固体撮像素子の製造方法において、
前記パターンが、光電変換素子を片寄せた側では正方形の角部を切り取った狭幅で、その反対側では広幅のパターンであることを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

前述のように、パターン状感光性透明樹脂層を加熱してその表面を溶融すると、溶融した樹脂はその表面張力によって球面状に変形し、凸型マイクロレンズを形成することができる。例えば、図１Ａに破線で示すように、正方形のパターンを有する感光性透明樹脂層を加熱すると、その中心位置（対角線の交点）Ｐ１を光軸とする球面レンズに変形する。この場合、凸型マイクロレンズの頂点も正方形パターンの中心位置（対角線の交点）Ｐ１にある。

他方、図１Ａに実線で示すように、感光性透明樹脂層を、正方形の角を切り取って、図示左側を狭幅のパターンに形成し、このパターンの感光性透明樹脂層を加熱してその表面
を溶融すると、形成される凸型マイクロレンズは非球面となり、その頂点は、前記Ｐ１から、切り取った角と反対方向にずれた位置Ｐ２に移動する。そして、この頂点の移動に伴い、その曲率半径も、切り取った角と反対方向の部位で小さく、切り取った角の近辺で大きい。なお、図１Ｃに示すように、互いに隣接する２つの角を切り取って、図示左側を狭幅のパターンに形成し、このパターンの感光性透明樹脂層を加熱してその表面を溶融すると、その頂点は、切り取った２つの角の垂直二等分線上の位置Ｐ３に移動する。

請求項２に係る発明においては、感光性透明樹脂層のパターンを、光電変換素子側では
比較的狭幅で、その反対側では比較的広幅に形成しているから、これを加熱すると、曲率
半径が光電変換素子側では比較的大きく、その反対側では比較的小さい凸型マイクロレン
ズが形成されるのである（図１Ｂ参照）。また、この凸型マイクロレンズの頂点Ｐ２は、
光電変換素子側とは反対側に片寄った位置にある。

次に、請求項３に記載の発明は、転写法による製造方法に関するもので、表面を正方形の多数の画素領域に区画され、これら画素領域のそれぞれの中央から片寄せて光電変換素子が配置された基板上に透明材料層を積層する工程と、この透明材料層の上に感光性樹脂層を積層する工程と、この感光性樹脂層をパターン状に露光し、現像してパターン状感光性樹脂層を形成する工程と、このパターン状感光性樹脂層を加熱して、凸型マイクロレンズの母型を形成する工程と、この母型上からドライエッチングし母型の形状を前記透明材料層に転写して、入射光を光電変換素子に集光させる凸型マイクロレンズを形成する工程とを備えた、前記凸型マイクロレンズが光電変換素子に対しカラーフィルタの外側に具備されており、かつ、前記凸型マイクロレンズの頂点が、光電変換素子側を片寄せた側と反対側に画素領域の中央から片寄った位置にあり、前記凸型マイクロレンズの曲率半径が、光電変換素子側では大きく、その反対側では光電変換素子側より小さい固体撮像素子の製造方法において、
前記パターンが、光電変換素子を片寄せた側では正方形の角部を切り取った狭幅で、その反対側では広幅のパターンであることを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

以上のように、本発明によれば、光電変換素子が画素領域内で片寄った位置に配置された固体撮像素子であって、入射光線を確実に光電変換素子に集光して、その感度を向上させた固体撮像素子を得ることができる。そして、このため、光電変換素子の配列密度を高めて、高解像度でしかも高感度の固体撮像素子を得ることが可能となる。

（固体撮像素子）
本発明に係る固体撮像素子は、基板の表面に光電変換素子が画素領域内で片寄った位置に配置されたものである。前述のように、複数の光電変換素子に共通する駆動・制御部位を集中して配置して、これら複数の光電変換素子に接続した場合には、その画素密度を増大して解像度を向上させることができるが、他方、光電変換素子を画素領域内の中央に配置することができないから、好ましく本発明を適用することができる。例えば、画素ピッチが５μｍ以下の高解像度固体撮像素子である。また、画素ピッチが２μｍ以下の固体撮像素子に適用することも可能である。なお、光電変換素子としては、例えば、フォトダイオードが利用できる。

本発明に係る凸型マイクロレンズは、それぞれの前記画素領域の全体を覆うように設けられることが望ましい。凸型マイクロレンズが画素領域の全体を覆っていない場合、この凸型マイクロレンズからはずれた位置に入射した光線は光電変換素子に到達できないことがある。

本発明に係る凸型マイクロレンズは、光電変換素子が画素領域内で片寄った位置に配置されたものであるにも拘らず、凸型マイクロレンズに入射した光線の大部分を屈折させて光電変換素子に入射させるものである。このため、凸型マイクロレンズとしては、その曲
率半径が、光電変換素子側では比較的大きく、その反対側では比較的小さい非球面レンズを適用できる。また、凸型マイクロレンズとして、凸部頂点が光電変換素子側とは反対側に片寄った位置にあるものを使用することもできる。好ましくは、この両者の要件を備える凸型マイクロレンズ、すなわち、その曲率半径が、光電変換素子側では比較的大きく、他方、その反対側では比較的小さいと共に、凸部頂点が光電変換素子側とは反対側に片寄った位置にある凸型マイクロレンズである。

なお、本発明に係る固体撮像素子は、基板と凸型マイクロレンズの他に、その他の層を備えるものであっても良い。例えば、基板と凸型マイクロレンズの間に、入射光をそれぞれの色光に分離するカラーフィルタ層を備えることができる。図２はベイヤー配列と呼ばれる配列を示したもので、共通する駆動・制御部位に接続された４つの光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４のうち、２つの光電変換素子ｂ１１，ｂ１４に緑色の色光を透過する緑色カラーフィルタ層３Ｇを配置し、その他の２つの光電変換素子ｂ１２，ｂ１３にそれぞれ赤色カラーフィルタ層３Ｒ、青色カラーフィルタ層３Ｂを配置したものである。

カラーフィルタ層３としては、公知のカラーフィルタ層をそのまま使用できる。例えば、光学膜厚が波長オーダーの透明薄膜を積層して得られる無機カラーフィルタ層、染料や顔料で着色した透明樹脂から構成される有機カラーフィルタ層などである。

また、基板表面の凹凸を埋めてその表面を平坦化する平坦化層を設けることも可能である。図３は、この平坦化層とカラーフィルタ層とを備える固体撮像素子の拡大断面説明図である。すなわち、この固体撮像素子は、片寄った位置に配置された光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，‥を有する基板１上に、その表面の凹凸を埋める平坦化層４を設け、この平坦化層４上に、画素ごとに入射光をそれぞれの色光に分離するカラーフィルタ層３Ｇ，３Ｒ，３Ｂを設け、このカラーフィルタ層３Ｇ，３Ｒ，３Ｂに位置合わせして凸型マイクロレンズ２を設けて構成されたものである。

（賦形による製造方法）
次に、本発明に係る凸型マイクロレンズは、例えば、基板表面に塗布形成された透明熱可塑性樹脂層に金型を押圧して、前記透明熱可塑性樹脂層を賦形することによって形成することができる。このような金型は、例えば、光造型法を利用して製造することができる。すなわち、任意の基材上に感光性樹脂層を形成し、この感光性樹脂層に対して、互いに交差する複数の方向から、短波長レーザー光線を照射する。そして、その交点に前記レーザー光線のエネルギーを集中させてこの交点部位の感光性樹脂層を硬化させ、次に現像することにより、原版を製造することができる。そして、この原版を基に反転を繰り返して、金型を製造することができる。

また、賦形される透明熱可塑性樹脂層は任意の材質で良いが、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂等が使用できる。

（熱リフロー法による製造方法）
また、凸型マイクロレンズは、いわゆる熱リフロー法や転写法を利用して形成することもできる。

熱フロー法による凸型マイクロレンズの形成方法について、図面を参照して説明する。すなわち、まず、図４の拡大断面説明図に示すように、基板１上に、必要に応じて平坦化層４を形成する。一般に、基板１は、光電変換素子ｂを駆動・制御するアルミニウム配線はどのメタル配線に係る段差や撮像素子チップを個別にカットするスクライブ線に係る段
差があるから、この平坦化層４を０．１μｍ程度の厚みに形成して、その表面を平坦化することが望ましい。次に、この平坦化層４の上に、画素ごとにカラーフィルタ層３を形成する。

そして、このカラーフィルタ層３の上に、透明感光性樹脂を塗布して、透明感光性樹脂層５を形成する。次に、この透明感光性樹脂層５をパターン状に露光し、アルカリ現像液にて現像する。図５Ａはその拡大断面説明図、図５Ｂは、共通の駆動・制御部位ｃに接続される４つの光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４に注目して、透明感光性樹脂層５’のパターンを示す平面説明図である。図５Ｂにおいて、ハッチングを施した部分は、光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４の存在する部位を示している。そして、パターン化された透明感光性樹脂層５’は、これら光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４を覆ってそれより大きい略正方形で、その正方形の光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４側、すなわち駆動・制御部位ｃの反対側の一つの角部を切り取って、狭幅のパターンとしている。

なお、図６の平面説明図に示すように、正方形の二つの角部を切り取って、光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４側を狭幅のパターンとしても良いが、４つの光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４が共通の駆動・制御部位ｃに接続される場合には、図５Ｂのように、この４つの光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４側に位置する一つの角部を切り取った形状とすることが望ましい。

そして、次に、パターン化された透明感光性樹脂層５’を加熱し、その表面を溶融して、溶融した透明感光性樹脂の表面張力に基づいて、その表面をなだらかな曲面に変形させる。こうして得られるマイクロレンズ２は、図３に示すように、非球面を有するもので、その曲率半径は光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４で小さく、その反対側で大きい。また、その凸部の頂点は光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４の反対側、すなわち、４つの光電変換素子ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４の中心側に片寄った位置にある。

なお、この透明感光性樹脂層５‘の加熱は、例えば、１８０〜２００℃、数分間の加熱で良い。１８０℃以下では十分な流動性が得られず、加熱前の形状に近い形状のレンズしか得られない。また、２００℃を越えると、流動性が高くなり、球面レンズに近くなる。

前記カラーフィルタ層３としては、無機カラーフィルタ、有機カラーフィルタのいずれであっても適用できる。

また、前記透明感光性樹脂層５は、アルカリ現像液に溶解するアルカリ可溶性と、露光・硬化した後も加熱によってその表面が溶融流動する熱フロー性を有する必要がある。また、凸型マイクロレンズを構成することから、十分な透明性を有することも必要とする。このような透明感光性樹脂としては、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリスチレン樹脂などに硬化剤を配合したものが利用できる。

（転写法による製造方法）
次に、転写法による凸型マイクロレンズの形成方法について、図面を参照して説明する。図７Ａの断面図に示すように、まず、基板１上に平坦化層４とカラーフィルタ層３を、順次、形成する。次に、透明材料層６を形成する。そして、この透明材料層６上に、必要に応じてエッチング制御層７を形成した後、感光性樹脂層８を形成する。

次に、この感光性樹脂層８をパターン状に露光し、アルカリ現像液にて現像する（図７Ｂ）。そのパターンは、図５Ｂ又は図６に示す形状と同様で良い。そして、パターン化さ
れた感光性樹脂層８’を加熱し、その表面を溶融して、溶融した感光性樹脂の表面張力に基づいて、その表面をなだらかな曲面に変形させる（図７Ｃ）。加熱条件としては、例えば、１８０〜２００℃、数分間である。

そして、基板１に対して垂直の方向からドライエッチングを施す。このドライエッチングによって、残存するパターン状感光性樹脂層８’とエッチング制御層７とが侵食除去されると共に、透明材料層６も侵食される。透明材料層６の侵食される深さはパターン状感光性樹脂層８’の各部分の膜厚を反映するため、その形状、すなわち、球面形状を透明材料層６に転写することができる。こうして球面形状に加工された透明材料層６を凸型マイクロレンズ２として利用することができる（図３）。

透明材料層６は、凸型マイクロレンズの材料となるもので、例えば、アクリル樹脂、あるいはフッ素原子を含む含フッ素アクリル樹脂が利用できる。ドライエッチングのエッチング速度を下げるため、含珪素アクリル樹脂又は含珪素アクリルモノマーを添加した含フッ素アクリル樹脂を利用することが望ましい。含フッ素アクリル樹脂の屈折率はおよそ１．３８〜１．４７であり、前記含珪素アクリル樹脂又は含珪素アクリルモノマーの添加によって透明材料層６の屈折率が増加して表面反射率が増大することを防ぐため、前記含珪素アクリル樹脂又は含珪素アクリルモノマーとして屈折率１．５以下のものを選択して添加することが望ましい。より望ましくは、屈折率１．４７以下の含珪素アクリル樹脂又は含珪素アクリルモノマーである。なお、この他、硬化剤、赤外線吸収剤、紫外線吸収剤等を添加することができるが、透明材料層６の屈折率の増加を防ぐため、添加量は最低限とすべきである。

エッチング制御層は、熱フロー時の流動性をコントロールし丸くスムーズな形状と寸法安定性を確保すると共に、ドライエッチングの際に、形成される凸型マイクロレンズ２の高さを調整する作用を有するものである。また、このエッチング制御層７のエッチング速度と、感光性樹脂層８や透明材料層６のエッチング速度の相違から、凸型マイクロレンズ２の頂点の位置や曲率半径を調整することも可能である。このようなエッチング制御層７としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、スチレン樹脂、フェノール樹脂あるいはこれらの共重合物などが使用可能である。中でも、ドライエッチングのエッチング速度の遅いポリスチレン樹脂、あるいはフェノール樹脂がより好ましい。

また、感光性樹脂層８としては、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリスチレン樹脂などに光架橋剤と光開始剤とを配合したものが利用できる。透明であっても良いが、透明である必要はない。なお、感光性樹脂層８のエッチング速度は、エッチング制御層７のエッチング速度より速いことが望ましく、この理由から、エッチング制御層７にフェノール樹脂を採用する場合、感光性樹脂層８としてアクリル樹脂もしくはポリスチレン樹脂を使用することが好ましい。

次に、ドライエッチングとしては、例えば、酸化あるいはエッチング性のあるガスを利用したドライエッチング等が利用できる。例えば、ＥＣＲ、平行平板マグネトロン、ＤＲＭ、ＩＣＰ、あるいは２周波タイプのＲＩＥなどの装置又は方法である。また、このガスとしては、ハロゲン元素、酸素元素又はイオウ元素を分子構造中に含むガスを、代表的なものとして例示できる。ハロゲン元素としては、フッ素元素、塩素元素、ブロム元素が例示できる。なお、可燃性がなく、人体への影響の観点から、毒性の低いフロン系ガスが好ましく使用できる。フロン系ガスの中でも、Fの原子比率に対してCの原子比率が高いものがゲイン（レンズ間ギャップを小さくする効果）を得やすいことから、Ｃ₃Ｆ₈、Ｃ₄Ｆ₈等が好適に使用できる。なお、Cの原子比率が高いフロン系ガスを使用した場合には、凸型マイクロレンズの表面が荒れることがあるから、複数種のガスを混合して使用することも
可能である。また、ドライエッチング時に、分布や転写レンズ形状改善のために、加温あるいは冷却することにより、分布や転写レンズ形状を改善することができる。

＜実施例１＞
転写法を利用して、固体撮像素子を製造した。

使用した基板１は、多数の画素が配列されたもので、これらの画素のそれぞれに光電変換素子ｂと駆動・制御部位ｃが配置されている。駆動・制御部位ｃは、互いに直交する方向に線状に設けられており、その交点を中心としてその周囲の４つの光電変換素子ｂに接続されている。このため、光電変換素子ｂは、画素領域内で、前記交点とは反対側に片寄った位置に配置されている。なお、その画素ピッチは２μｍである。

そして、この基板１上に、平坦化層４を０．１μｍの厚みに形成し、次に、赤色、緑色、赤色のそれぞれの色彩に着色された感光性樹脂組成物を使用して、画素ごとにカラーフィルタ層３を形成した。カラーフィルタ層３の厚みは０．９μｍである。

次に、カラーフィルタ層３上に、含珪素アクリル樹脂を添加した低屈折率の含フッ素アクリル樹脂を塗布して透明材料層６を形成した。次に、この透明材料層６上に、ポリスチレン樹脂を塗布してエッチング制御層７を形成し、続いて、感光性フェノール樹脂を塗布して感光性樹脂層８を形成した。

次に、５倍レチクルのフォトマスクにて、ステッパー露光装置を使用して、感光性樹脂層８をパターン状に露光し、現像した。こうして得られたパターン状感光性樹脂層８’と光電変換素子ｂとの位置関係は、図５（Ｂ）における透明感光性樹脂層８’と光電変換素子ｂとの位置関係と同じである。すなわち、パターン状感光性樹脂層８’は、光電変換素子ｂを覆ってそれより大きい略正方形で、その正方形の光電変換素子ｂ側の一つの角部を切り取って、光電変換素子ｂ側を狭幅としたパターンを有している。なお、前記正方形の一辺は１．７μｍで、切り取った角部は、角を挟む二辺上の点であって、その角から０．３５μｍの距離にある二つの点を結ぶ直線で切り取ったものである。

次に、２００℃、３ｍｉｎの条件で加熱し、パターン状感光性樹脂層８’の表面を溶融して、レンズ形状に変形させた。こうして変形したパターン状感光性樹脂層８’は、非球面を有するもので、その頂点は、前記正方形の中心から、光電変換素子ｂとは反対側、すなわち駆動・制御部位ｃ側に０．２μｍ片寄った位置にあった。また、これに伴い、パターン状感光性樹脂層８’の曲率半径は光電変換素子側で大きく、それに比較してその反対側では小さかった。

次に、ドライエッチングを施して、パターン状感光性樹脂層８’とエッチング制御層７とを消失させると共に、透明材料層６を侵食して、前記パターン状感光性樹脂層８’の表面形状を透明材料層６に転写した。得られた凸型マイクロレンズ２の頂点は、前記正方形の中心から、光電変換素子ｂとは反対側に０．２５μｍ片寄った位置にあった。このように頂点の位置が移動した理由は、前記パターン状感光性樹脂層８’、エッチング制御層７及び透明材料層６のエッチング速度の相違にあると推定される。

なお、その頂点が片寄った位置にあることに伴い、凸型マイクロレンズ２の曲率半径は光電変換素子側で大きく、それに比較してその反対側では小さかった。

＜実施例２＞
転写法を利用して、固体撮像素子を製造した。使用した基板１は実施例１と同様であり
、平坦化層４及びカラーフィルタ層３も実施例１と同様に形成した。また、透明材料層６、エッチング制御層７及び感光性樹脂層８も実施例１と同様に形成した。

次に、５倍レチクルのフォトマスクにて、ステッパー露光装置を使用して、感光性樹脂層８をパターン状に露光し、現像した。こうして得られた感光性樹脂層８’のパターンは、図６に示すものと同じである。すなわち、パターン状感光性樹脂層８’は、光電変換素子ｂを覆ってそれより大きい略正方形で、その正方形の光電変換素子ｂ側の二つの角部を切り取って、光電変換素子ｂ側を狭幅としたパターンを有している。なお、前記正方形の一辺は１．７μｍで、切り取った角部は、角を挟む二辺上の点であって、その角から０．３μｍの距離にある二つの点を結ぶ直線で切り取ったものである。

次に、２００℃、６ｍｉｎの条件で加熱し、パターン状感光性樹脂層８’の表面を溶融して、レンズ形状に変形させた。こうして変形したパターン状感光性樹脂層８’は、非球面を有するもので、その頂点は、前記正方形の中心から、光電変換素子ｂとは反対側に０．１μｍ片寄った位置にあった。また、これに伴い、パターン状感光性樹脂層８’の曲率半径は光電変換素子側で大きく、それに比較してその反対側では小さかった。

次に、ドライエッチングを施して、パターン状感光性樹脂層８’とエッチング制御層７とを消失させると共に、透明材料層６を侵食して、前記パターン状感光性樹脂層８’の表面形状を透明材料層６に転写した。得られた凸型マイクロレンズ２の頂点は、前記正方形の中心から、光電変換素子ｂとは反対側に０．３μｍ片寄った位置にあった。

図１Ａは本発明の原理を説明するための面説明図、図１Ｂは断面説明図、図１Ｃは他の例を示す平面説明図。光電変換素子の配列を示す平面説明図。本発明に係る固体撮像素子の拡大断面説明図。熱フロー法による固体撮像素子の製造工程を示す拡大断面説明図。図５Ａは熱フロー法による固体撮像素子の製造工程を示す拡大断面説明図、図５Ｂは平面説明図。熱フロー法による固体撮像素子の製造工程を示す平面説明図。転写法による固体撮像素子の製造工程を示す拡大断面説明図。従来の固体撮像素子の拡大断面説明図。熱フロー法による従来の固体撮像素子の製造工程を示す拡大断面説明図。転写法による従来の固体撮像素子の製造工程を示す拡大断面説明図。光電変換素子の配列を示す平面説明図。

符号の説明

１・・・基板
２・・・凸型マイクロレンズ
３・・・カラーフィルタ層
４・・・平坦化層
５・・・透明感光性樹脂層
６・・・透明材料層
７・・・エッチング制御層
８・・・感光性樹脂層８
ａ・・・画素領域
ｂ・・・光電変換素子
ｃ・・・駆動・制御部位
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・凸型マイクロレンズの頂点

Claims

表面を多数の正方形の画素領域に区画され、これら画素領域のそれぞれの中央から片寄せて光電変換素子が配置された基板と、それぞれの画素領域内に、画素領域と等しい前記光電変換素子より大面積に配置され、入射光を光電変換素子に集光させる凸型マイクロレンズとを備える固体撮像素子において、
前記凸型マイクロレンズが光電変換素子に対しカラーフィルタの外側に具備されており、かつ、前記凸型マイクロレンズの頂点が、光電変換素子側を片寄せた側と反対側に画素領域の中央から片寄った位置にあり、前記凸型マイクロレンズの曲率半径が、光電変換素子側では大きく、その反対側では光電変換素子側より小さいことを特徴とする固体撮像素子。
表面を正方形の多数の画素領域に区画され、これら画素領域のそれぞれの中央から片寄せて光電変換素子が配置された基板上に感光性透明樹脂層を積層する工程と、この感光性透明樹脂層をパターン状に露光し、現像してパターン状感光性透明樹脂層を形成する工程と、このパターン状感光性透明樹脂層を加熱して、入射光を光電変換素子に集光させる凸型マイクロレンズを形成する工程とを備えた、前記凸型マイクロレンズが光電変換素子に対しカラーフィルタの外側に具備されており、かつ、前記凸型マイクロレンズの頂点が、光電変換素子側を片寄せた側と反対側に画素領域の中央から片寄った位置にあり、前記凸型マイクロレンズの曲率半径が、光電変換素子側では大きく、その反対側では光電変換素子側より小さい固体撮像素子の製造方法において、
前記パターンが、光電変換素子を片寄せた側では正方形の角部を切り取った狭幅で、その反対側では広幅のパターンであることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
表面を正方形の多数の画素領域に区画され、これら画素領域のそれぞれの中央から片寄せて光電変換素子が配置された基板上に透明材料層を積層する工程と、この透明材料層の上に感光性樹脂層を積層する工程と、この感光性樹脂層をパターン状に露光し、現像してパターン状感光性樹脂層を形成する工程と、このパターン状感光性樹脂層を加熱して、凸型マイクロレンズの母型を形成する工程と、この母型上からドライエッチングし母型の形状を前記透明材料層に転写して、入射光を光電変換素子に集光させる凸型マイクロレンズを形成する工程とを備えた、前記凸型マイクロレンズが光電変換素子に対しカラーフィルタの外側に具備されており、かつ、前記凸型マイクロレンズの頂点が、光電変換素子側を片寄せた側と反対側に画素領域の中央から片寄った位置にあり、前記凸型マイクロレンズの曲率半径が、光電変換素子側では大きく、その反対側では光電変換素子側より小さい固体撮像素子の製造方法において、
前記パターンが、光電変換素子を片寄せた側では正方形の角部を切り取った狭幅で、その反対側では広幅のパターンであることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。