JP4998310B2 - 固体撮像素子およびそれを用いた撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子と撮像装置に係り、特に複数の受光部と微小な集光レンズ（マイクロレンズ）を配設した固体撮像素子と、この固体撮像素子を使用した撮像装置に関する。

近年、静止画像、動画像を撮像するデジタルカメラ、ビデオカメラが様々な分野で普及してきている。これらのカメラには、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の固体撮像素子が用いられている。このような固体撮像素子の構造は、例えば、受光部と金属電極を形成した基板上に絶縁層を介して遮光層、パッシベーション層、下平坦化層、カラーフィルタ、上平坦化層、および、マイクロレンズアレイを備えたものである。そして、半導体技術の進歩とともに、固体撮像素子の画素の微細化が一段と進み、カメラ自体の小型化も進んできている。例えば、固体撮像素子の１画素の平均的寸法は５〜６μｍであり、さらに小さい場合には１〜２μｍとなっている。このような画素の微細化が進むと、カメラレンズからの斜めの入射光線を考慮したときに、マイクロレンズアレイの下面から受光部までの厚さが小さいほど、感度低下（本来、受光部に入射すべき光線が金属電極等でけられ入射光量が低下する）、シェーディング（有効撮像領域の周辺部での感度低下）、色シェーディング（有効撮像領域の周辺部でのカラーフィルタの色毎の感度差の増大）を抑制する点で有利となる。しかし、下平坦化層、カラーフィルタ、上平坦化層のそれぞれの本体の役割を考慮すると、その薄膜化や省略は困難であり、マイクロレンズアレイの下面から受光部までの厚さの低減には限界がある。

また、同じ厚みの赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタからなるカラーフィルタの各色フィルタに、同じ形状のマイクロレンズを配すると、マイクロレンズ材料の屈折率の波長依存性に由来して、集光性は青色、緑色、赤色の順に低下する。このため、赤色主波長での焦点距離は緑色主波長での焦点距離に比べて長くなり、青色主波長での焦点距離は緑色主波長での焦点距離に比べて短くなり、色シェーディングを助長することになる。
一方、各色光の受光部に対応したカラーフィルタの赤色、緑色、青色の各色フィルタの厚みを赤色＞緑色＞青色のように設定することにより、固体撮像素子における感度低下を抑制し、色バランスを改善することが提案されている（特許文献１、２）。また、受光部上方の屈折率差のある媒質の境界面形状を各色毎に異なるように設定することにより、カラーフィルタの各色フィルタ毎の色収差を補正することが提案されている（特許文献３）。
特開平７−３８０７５号公報 特開２００２−９４０３７号公報 特開２００６−１９５８８号公報

しかし、特許文献１〜３に示されるような従来の固体撮像素子では、各色フィルタ毎に厚みを異なるように設定したカラーフィルタ上にマイクロレンズを形成し、あるいは、各色フィルタ毎に表面形状（マイクロレンズとの境界面形状）を異なるように設定したカラーフィルタ上にマイクロレンズを形成するため、マイクロレンズが形成される面の平坦性が悪く、したがって、マイクロレンズの形状、特性が赤色、緑色、青色の各色の間で異なってしまい、集光性の差異が拡大したり、感度が低下するという問題があった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、各色光毎の焦点距離が均一であり色シェーディングが抑制された固体撮像素子とこれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は、各色毎のマイクロレンズの焦点距離が、マイクロレンズの屈折率の波長依存性と、カラーフィルタの各色フィルタの各主波長での屈折率の差により変化することに着目し、また、マイクロレンズとカラーフィルタ間に介在する上平坦化層によるマイクロレンズの集光性助長機能に着目してなされたものである。

すなわち、本発明の固体撮像素子は、２次元配置された複数の受光部と、下平坦化層と、個々の前記受光部に対応させて赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタが該下平坦化層に配列されてなるカラーフィルタと、該カラーフィルタを被覆するように配設された上平坦化層と、個々の前記受光部に対応させて複数のマイクロレンズが該上平坦化層に２次元配置されてなるマイクロレンズアレイとを少なくとも備え、前記赤色フィルタの赤色主波長における屈折率ｎｒ、前記緑色フィルタの緑色主波長における屈折率ｎｇ、前記青色フィルタの青色主波長における屈折率ｎｂとの間に、ｎｒ＞ｎｇ≧ｎｂの関係があり、かつ、屈折率ｎｒ、ｎｇ、ｎｂは対応する波長での前記上平坦化層の屈折率よりも大きく、前記赤色フィルタの中央部膜厚Ｄｒ１、前記緑色フィルタの中央部膜厚Ｄｇ１、前記青色フィルタの中央部膜厚Ｄｂ１との間に、Ｄｂ１＞Ｄｇ１＞Ｄｒ１の関係があり、前記マイクロレンズの赤色主波長における屈折率ｎＭＬｒ、緑色主波長における屈折率ｎＭＬｇ、青色主波長における屈折率ｎＭＬｂとの間に、ｎＭＬｂ＞ｎＭＬｇ＞ｎＭＬｒの関係があり、かつ、屈折率ｎＭＬｒ、ｎＭＬｇ、ｎＭＬｂは対応する波長での前記上平坦化層の屈折率よりも大きいような構成とした。

本発明の他の態様として、前記赤色フィルタの中央部膜厚Ｄｒ１と周縁部膜厚Ｄｒ２、前記緑色フィルタの中央部膜厚Ｄｇ１と周縁部膜厚Ｄｇ２、前記青色フィルタの中央部膜厚Ｄｂ１と周縁部膜厚Ｄｂ２は、Ｄｂ２−Ｄｂ１＞Ｄｇ２−Ｄｇ１＞Ｄｒ２−Ｄｒ１の関係にあるような構成とした。
本発明の撮像装置は、上述の本発明の固体撮像素子を備えるような構成とした。

このような本発明の固体撮像素子は、上平坦化層を介してカラーフィルタ上にマイクロレンズを配設しているので、マイクロレンズの形状が均一で特性も均一であり、また、カラーフィルタを構成する各色フィルタの各色主波長における屈折率の関係、この屈折率と上平坦化層の屈折率の関係、マイクロレンズの各色主波長における屈折率の関係、および、カラーフィルタを構成する各色フィルタの膜厚の関係が特定のものであるため、上平坦化層によるマイクロレンズの集光性を助長する機能も各色光毎に適度に作用して、各色光毎の焦点の位置が揃い、これにより、各色毎の集光性が均一で色シェーディングや感度低下が抑制されたものである。
本発明の撮像装置は、斜め入射に起因するケラレ等のロスが少なく、入射光量に対しての効率分布の少ない高品位のものであり、小型化、薄型化が可能である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［固体撮像素子］
図１は本発明の固体撮像素子の一実施形態を示す概略構成図である。また、図２は図１に示される固体撮像素子を構成するカラーフィルタ、上平坦化層、マイクロレンズを示す概略構成図である。図１において、固体撮像素子１は、一定の配置ピッチで２次元配置された複数の受光部３と転送電極４を備える基板２と、基板２上に絶縁層５を介して順次設けられた遮光層６、パッシベーション層７、下平坦化層８、カラーフィルタ９、上平坦化層１０、および、マイクロレンズアレイ１１を有している。

基板２はシリコン基板であり、受光部３はｐｎ接合が形成された公知のフォトダイオードであってよく、通常、正方格子状に配置される。転送電極４はフォトダイオードである受光部３で発生した信号電荷を転送するものであり、転送電極４の上面（マイクロレンズアレイ１１側）に遮光膜を備えるものであってもよい。
絶縁層５は、例えば、ＣＶＤ法で成膜した酸化珪素等の透明膜からなり、受光部３と転送電極４を被覆するように形成されている。遮光層６は、個々の受光部３に対応して配置された複数の開口部を有するものであり、遮光性の金属層（例えば、Ａｌ、Ａｌ／Ｓｉ／Ｃｕ合金等）で形成することができる。また、パッシベーション層７は窒化珪素、二酸化珪素等で形成することができ、下平坦化層８は樹脂材料で形成することができる。このような絶縁層５、下平坦化層８は、屈折率の波長依存性がほとんど無視できる程度である。また、パッシベーション層７は、屈折率の波長依存性が認められるが、膜厚が０．２μｍ程度と薄いので、マイクロレンズの集光性への影響は無視できる。

カラーフィルタ９は、矩形の赤色フィルタ９Ｒ、緑色フィルタ９Ｇ、青色フィルタ９Ｂが配列されたものであり、これらの各色のフィルタは各受光部３に対応している。そして、本発明では、このカラーフィルタ９を構成する赤色フィルタ９Ｒ、緑色フィルタ９Ｇ、青色フィルタ９Ｂにおいて以下の要件が成立することが必須となっている。すなわち、赤色フィルタ９Ｒの赤色主波長における屈折率ｎｒ、緑色フィルタ９Ｇの緑色主波長における屈折率ｎｇ、青色フィルタ９Ｂの青色主波長における屈折率ｎｂとの間に、ｎｒ＞ｎｇ≧ｎｂの関係が成立する。また、屈折率ｎｒ、ｎｇ、ｎｂは対応する波長での上平坦化層１０の屈折率よりも大きいものである。さらに、図２に示されるように、赤色フィルタ９Ｒの中央部膜厚Ｄｒ１、緑色フィルタ９Ｇの中央部膜厚Ｄｇ１、青色フィルタ９Ｂの中央部膜厚Ｄｂ１との間に、Ｄｂ１＞Ｄｇ１＞Ｄｒ１の関係が成立する。
尚、本発明において屈折率は分光エリプソメータにより測定する。

上平坦化層１０は、色フィルタ毎に厚さの異なるカラーフィルタ９を被覆して平坦面を形成し、同等の集光性の有する均質なマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイ１１の形成を可能にするとともに、マイクロレンズの集光性を助長する機能を発現する。この上平坦化層１０の赤色主波長における屈折率、緑色主波長における屈折率、青色主波長における屈折率は、上述のように、カラーフィルタ９における対応した波長での屈折率ｎｒ、ｎｇ、ｎｂよりも小さいものである。このような上平坦化層１０は、樹脂材料で形成することができる。尚、上平坦化層１０の赤色主波長における屈折率、緑色主波長における屈折率、青色主波長における屈折率は、波長依存性がほとんど無視できる程度である。

マイクロレンズアレイ１１は、各受光部３、カラーフィルタ９の各色フィルタに対応して形成された複数のマイクロレンズ１２からなっている。そして、マイクロレンズ１２の赤色主波長における屈折率ｎＭＬｒ、緑色主波長における屈折率ｎＭＬｇ、青色主波長における屈折率ｎＭＬｂとの間には、ｎＭＬｂ＞ｎＭＬｇ＞ｎＭＬｒの関係が成立する。また、マイクロレンズ１２における上記の屈折率ｎＭＬｒ、ｎＭＬｇ、ｎＭＬｂは、対応する波長での上平坦化層１０の屈折率よりも大きいものである。マイクロレンズ１２からなるマイクロレンズアレイ１１の形成方法としては特に制限はなく、例えば、マイクロレンズ材料としてポジ型フォトレジストを用い、塗布、露光、現像のフォトリソグラフィー工程の後、フォトレジストをポストベークして溶融し凸レンズ状に成形する方法を挙げることができる。

ここで、このような本発明の固体撮像素子１の集光性について説明する。
まず、マイクロレンズアレイ１１に入射した外光は各マイクロレンズ１２により集光される。上述のように、マイクロレンズ１２の赤色主波長における屈折率ｎＭＬｒ、緑色主波長における屈折率ｎＭＬｇ、青色主波長における屈折率ｎＭＬｂとの間には、ｎＭＬｂ＞ｎＭＬｇ＞ｎＭＬｒの関係が成立する。したがって、各主波長（例えば、赤主波長＝６２０ｎｍ、緑主波長＝５４０ｎｍ、青主波長＝４５０ｎｍ）毎のマイクロレンズ１２の焦点距離の大小を比べると、図３に示すように、赤色＞緑色＞青色の関係となる。

マイクロレンズ１２を透過した光は上平坦化層１０を透過するが、マイクロレンズ１２の各色主波長における屈折率ｎＭＬｒ、ｎＭＬｇ、ｎＭＬｂは、対応する波長での上平坦化層１０の屈折率よりも大きい。したがって、上平坦化層１０を透過する光は更に集光される。すなわち、マイクロレンズ１２にて集光された光線が、マイクロレンズ１２と上平坦化層１０の界面で屈折率差に応じて屈折するが、マイクロレンズ１２の各色主波長における屈折率ｎＭＬｒ、ｎＭＬｇ、ｎＭＬｂは、対応する波長での上平坦化層１０の屈折率よりも大きいため、屈折角が大きくなり、より集光性が高まる。このように、上平坦化層１０はマイクロレンズ１２の集光性を助長する機能を発現する。そして、上記のように、赤色フィルタ９Ｒの中央部膜厚Ｄｒ１、緑色フィルタ９Ｇの中央部膜厚Ｄｇ１、青色フィルタ９Ｂの中央部膜厚Ｄｂ１との間に、Ｄｂ１＞Ｄｇ１＞Ｄｒ１の関係が成立する。このため、各色フィルタ上に位置する上平坦化層１０の厚みの大小を比べると、赤色フィルタ上の上平坦化層＞緑色フィルタ上の上平坦化層＞青色フィルタ上の上平坦化層の関係となる。したがって、上平坦化層１０によるマイクロレンズ１２の集光性助長機能も、赤色フィルタ９Ｒ上の上平坦化層１０によるものが最も大きく、次いで、緑色フィルタ９Ｇ上の上平坦化層１０によるもの、青色フィルタ９Ｂ上の上平坦化層１０によるもの、と小さくなる。このような上平坦化層１０を透過した各主波長毎の焦点距離の大小を比べると、図４に示すように、赤色＞緑色＞青色の関係となり、序列は図３と同じであるものの、上平坦化層１０によるマイクロレンズ１２の集光性助長機能の差によって、焦点距離の差はマイクロレンズ１２透過時（図３）に比べて低減されている。

上平坦化層１０を透過した光はカラーフィルタ９を構成する赤色フィルタ９Ｒ、緑色フィルタ９Ｇ、青色フィルタ９Ｂを透過する。上記のように、赤色フィルタ９Ｒの赤色主波長における屈折率ｎｒ、緑色フィルタ９Ｇの緑色主波長における屈折率ｎｇ、青色フィルタ９Ｂの青色主波長における屈折率ｎｂとの間には、ｎｒ＞ｎｇ≧ｎｂの関係が成立するとともに、屈折率ｎｒ、ｎｇ、ｎｂは対応する波長での上平坦化層１０の屈折率よりも大きいものである。したがって、上平坦化層１０からカラーフィルタ９に入射した光は、集光が低下する傾向となる。そして、上記のように、赤色フィルタ９Ｒの中央部膜厚Ｄｒ１、緑色フィルタ９Ｇの中央部膜厚Ｄｇ１、青色フィルタ９Ｂの中央部膜厚Ｄｂ１との間に、Ｄｂ１＞Ｄｇ１＞Ｄｒ１の関係が成立する。したがって、上記の集光性の低下傾向は、最も厚い青色フィルタ９Ｇが最も大きく、次いで、緑色フィルタ９Ｇ、赤色フィルタ９Ｒの順となる。このようなカラーフィルタ９を透過した各主波長毎の焦点距離を比べると、図５に示すように、同一、乃至僅差となる。

その後、各色光は下平坦化層８、パッシベーション層７、絶縁層５を順次透過するが、下平坦化層８と絶縁層５の屈折率は、波長依存性がほとんど無視できる程度であり、パッシベーション層７は、屈折率の波長依存性が認められるが、膜厚が０．２μｍ程度と薄いので、マイクロレンズの集光性への影響は無視できる。このため、カラーフィルタ９を透過した段階で達成された各色光の焦点距離の関係（同一、乃至僅差）がそのまま維持される。したがって、受光層３に到達する各色光の焦点の位置が揃い、これにより、各色毎の集光性が均一となり、色シェーディングや感度低下が抑制される。
図６は、本発明の固体撮像素子の他の実施形態を示す図２相当の概略構成図である。この実施形態では、赤色フィルタ９Ｒの中央部膜厚Ｄｒ１と周縁部膜厚Ｄｒ２、緑色フィルタ９Ｇの中央部膜厚Ｄｇ１と周縁部膜厚Ｄｇ２、青色フィルタ９Ｂの中央部膜厚Ｄｂ１と周縁部膜厚Ｄｂ２とに、Ｄｂ２−Ｄｂ１＞Ｄｇ２−Ｄｇ１＞Ｄｒ２−Ｄｒ１の関係が成立する。これにより、上述した赤色フィルタ９Ｒにおける集光性の低下傾向が低減され、逆に、青色フィルタ９Ｇにおける集光性の低下傾向が増大されるので、上述の図４に示される状態から図５に示される状態への焦点距離の修正をより正確に行うことができる。

図６に示されるようなカラーフィルタ９は、例えば、以下のように形成することができる。まず、下平坦化層８上に緑色フィルタ用の感光性材料を塗布し、所望のマスクを介して露光し、現像を行って、図１０に示されるように、角部が接し市松状に配列された緑色フィルタ９Ｇ（図１０では斜線を付して示されている）を形成する（図９（Ａ））。次に、この緑色フィルタ９Ｇを被覆するように赤色フィルタ用の感光性材料９′Ｒを塗布する（図９（Ｂ））。このように塗布された赤色フィルタ用の感光性材料９′Ｒは、周囲に存在する緑色フィルタ９Ｇによる段差の影響で、表面が凹面となり易い。そして、露光波長では解像しないような微細なドットパターンで階調を表現したフォトマスクを用いて赤色フィルタ用の感光性材料９′Ｒを露光、現像することにより、表面が凸形状の赤色フィルタ９Ｒを形成する（図９（Ｃ））。図１１は、このようなドットパターンの一例を示す図であり、１画素分の領域上に表現された２０個×２０個のドットを有している。この例では、黒い部分が遮光部であり、白い部分が光透過部である。次いで、赤色フィルタ９Ｒ、緑色フィルタ９Ｇを被覆するように青色フィルタ用の感光性材料９′Ｂを塗布する（図９（Ｄ））。このように塗布された青色フィルタ用の感光性材料９′Ｂも、周囲に存在する緑色フィルタ９Ｇの影響を受けるが、青色フィルタ用の感光性材料９′Ｂの膜厚が緑色フィルタ９Ｇの膜厚よりも大きい場合、表面は凹形状とならずに平坦となり易い。このため、上述の図１１に示したフォトマスクの１画素内の遮光部と光透過部を反転したフォトマスクを用いて青色フィルタ用の感光性材料９′Ｂを露光し、現像を行うことにより、表面が凹形状の青色フィルタ９Ｂを形成することが容易である（図９（Ｅ））。

また、図６に示されるようなカラーフィルタ９を以下のように形成することもできる。まず、下平坦化層８上に赤色フィルタ用の感光性材料を塗布し、露光波長では解像しないような微細なドットパターンで階調を表現した図１１に示すようなフォトマスクを用いて赤色フィルタ用の感光性材料を露光、現像することにより、表面が凸形状の赤色フィルタ９Ｒを形成する。次に、この赤色フィルタ９Ｒを被覆するように緑色フィルタ用の感光性材料を塗布する。このとき、緑色フィルタ９Ｇが形成される部位は赤色フィルタ９Ｒで完全には囲まれておらず、また、緑色フィルタ９Ｇを赤色フィルタ９Ｒよりも厚膜を大きく塗布することにより、感光性材料自体のレベリング効果が働き、ほぼ平坦に塗布される。そして、所望のマスクを介して露光し、現像を行って、市松状の緑色フィルタ９Ｇを形成する。次いで、赤色フィルタ９Ｒ、緑色フィルタ９Ｇを被覆するように青色フィルタ用の感光性材料を塗布する。このように塗布された青色フィルタ用の感光性材料は、周囲に存在する緑色フィルタ９Ｇの影響を受けるが、青色フィルタ用の感光性材料の膜厚が緑色フィルタ９Ｇの膜厚よりも大きい場合、表面は凹形状とならずに平坦となり易い。このため、上述の図１１に示したフォトマスクの１画素内の遮光部と光透過部を反転したフォトマスクを用いて青色フィルタ用の感光性材料を露光し、現像を行うことにより、表面が凹形状の青色フィルタ９Ｂを形成する。

尚、上記のＤｂ２−Ｄｂ１＞Ｄｇ２−Ｄｇ１＞Ｄｒ２−Ｄｒ１の関係を満足する各色フィルタの断面形状は、図６に示される各色フィルタの断面形状に限定されない。例えば、図７に示されるように、赤色フィルタ９Ｒの表面（上平坦化層１０側、以下の説明でも同様）を平坦とし、緑色フィルタ９Ｇの表面を凹形状と、青色フィルタ９Ｂの表面を更に凹形状とした断面形状であってもよい。また、図８に示されるように、青色フィルタ９Ｂの表面を平坦とし、緑色フィルタ９Ｇの表面を凸形状と、赤色フィルタ９Ｒの表面を更に凸形状とした断面形状であってもよい。
上述の固体撮像素子の実施形態は例示であり、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

［撮像装置］
図１２は、本発明の撮像装置の一実施形態を示す概略断面図である。図１２において、本発明の撮像装置２１は、本発明の固体撮像素子２２を備えた基板２３と、固体撮像素子２２の外側に配した封止用部材２４と、この封止用部材２４を介して固体撮像素子２２と所望の間隙を設けて対向するように配設された保護材２５とを備えている。また、固体撮像素子２２は配線２６、表裏導通ビア２７を介して外部端子２８に接続されている。このようなセラミックパッケージ型の撮像装置２１は、種々のデジタルカメラ、ビデオカメラ等に使用することができ、カメラの高感度化、小型化、薄型化が可能である。

また、図１２は、本発明の撮像装置の他の実施形態を示す概略断面図である。図１２に示される本発明の撮像装置３１は、携帯電話用カメラモジュールの例であり、本発明の固体撮像素子３２を備えた基板３３と、固体撮像素子３２の外側に配した封止用部材３４と、固体撮像素子３２と所望の間隙を設けて対向するように配設された赤外カットフィルタ３５と、赤外カットフィルタ３５上に配設された鏡筒３６と、この鏡筒３６内に装着されたレンズユニット３７を備えている。このような撮像装置３１は、本発明の固体撮像素子３２がシェーディング補正されていて高感度のものであるため、小型化、薄型化が可能である。
本発明の撮像装置は上述の実施形態に限定されるものではなく、固体撮像素子として本発明の固体撮像素子を備えるものであればよく、従来の種々の撮像装置の構成をそのまま採用することができる。

次に、実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
まず、画素受光部ピッチ５．７μｍ、画素数２５９２個×１９４４個のフォトダイオードからなるＣＭＯＳセンサーを形成したウェハを用意した。
次に、上記のウェハ上に、以下のようにして、下平坦化層、カラーフィルタ、上平坦化層、および、マイクロレンズアレイを形成した。

（下平坦化層の形成）
パッシベーション層上に、光硬化型アクリル系透明樹脂材料（富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＣＴ−２０２０Ｌ）をスピン塗布し、次いで、プリベーク、紫外線全面露光、ポストベークを行って下平坦化層（厚み１．２μｍ）を形成した。この下平坦化層について、各主波長（赤主波長＝６２０ｎｍ、緑主波長＝５４０ｎｍ、青主波長＝４５０ｎｍ）での屈折率を測定した結果、赤主波長および緑主波長における屈折率は１．５１であり、青主波長における屈折率は１．５２であり、波長依存性は無視できるものであった。

（カラーフィルタの形成）
ネガ型感光性の赤色材料（Ｒ用材料）、緑色材料（Ｇ用材料）、青色材料（Ｂ用材料）として以下の材料を用意した。
Ｒ用材料：富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＳＲ−４０００Ｌ
Ｇ用材料：富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＳＧ−４０００Ｌ
Ｂ用材料：富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＳＢ−４０００Ｌ
Ｇ、Ｒ、Ｂの形成順序で、上記材料をスピン塗布し、プリベーク、１／５縮小型のｉ線ステッパーによる露光、現像、ポストベークを行って、カラーフィルタを形成した。すなわち、まず、下平坦化層上にＧ用材料を塗布し、露光、現像した後、ポストベーク（２２０℃、１０分間）を行って、市松状に表面が平坦な緑色フィルタ（中央部膜厚１．０μｍ）を形成した。次に、この緑色フィルタを被覆するようにＲ用材料を塗布し、露光波長では解像しないような微細なドットパターンで階調を表現したフォトマスク（図１１に示すようなフォトマスクよりも階調を弱くしたフォトマスク）を用いて露光、現像した後、ポストベーク（２２０℃、１０分間）を行って、表面が平坦な赤色フィルタ（中央部膜厚０．７μｍ）を形成した。次いで、赤色フィルタ、緑色フィルタを被覆するようにＢ用材料を塗布し、露光波長では解像しないような微細なドットパターンで階調を表現したフォトマスク（図１１に示したフォトマスクの１画素内の遮光部と光透過部を反転し、かつ、階調を弱くしたフォトマスク）を用いて露光、現像した後、ポストベーク（２２０℃、１０分間）を行って、表面が平坦な青色フィルタ（中央部膜厚１．３μｍ）を形成した。これにより、図１、図２に示されるようなカラーフィルタを形成した。

尚、現像液として、富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＣＤ−２０００の５０％希釈液を使用した。また、カラーフィルタの配置ピッチは、画素受光部と同様に、５．７μｍとした。
形成したカラーフィルタの各色フィルタについて、各主波長（赤主波長＝６２０ｎｍ、緑主波長＝５４０ｎｍ、青主波長＝４５０ｎｍ）での屈折率を測定した。その結果、赤色フィルタの赤色主波長における屈折率ｎｒ＝１．７０、緑色フィルタの緑色主波長における屈折率ｎｇ＝１．６０、青色フィルタの青色主波長における屈折率ｎｂ＝１．５５であった。

カラーフィルタ上に、光硬化型アクリル系透明樹脂材料（富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ（株）製 ＣＴ−２０２０Ｌ）をスピン塗布し、次いで、プリベーク、紫外線全面露光、ポストベークを行って上平坦化層を形成した。形成した上平坦化層の厚みは、赤色フィルタ上で１．３μｍ、緑色フィルタ上で１．０μｍ、青色フィルタ上で０．７μｍであり、上平坦化層の上面（後工程でマイクロレンズが形成される面）は良好な平坦性を有するものであった。また、この上平坦化層について、各主波長（赤主波長＝６２０ｎｍ、緑主波長＝５４０ｎｍ、青主波長＝４５０ｎｍ）での屈折率を測定した結果、赤主波長および緑主波長における屈折率は１．５１であり、青主波長における屈折率は１．５２であり、波長依存性は無視できるものであった。

（マイクロレンズの形成）
上平坦化層に、マイクロレンズ材料としてＪＳＲ（株）製 ＭＦＲ４０１Ｌをスピン塗布し、プリベーク、１／５縮小型のｉ線ステッパーによる露光、現像、後露光、ポストベークによるメルトフローを行って、マイクロレンズ（高さ１．２３μｍ）を形成した。尚、現像液として、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）の１．１９％液を使用した。
上記の露光において使用したフォトマスクは、画素受光部ピッチ５．７μｍに対し、有効撮像領域中心を中心として９９．９８８７％の微小スケーリングを掛けてマイクロレンズパターンを配置した設計とした。

次に、ボンディングパッド部の窓開けを行った。すなわち、ポジレジスト（住友化学（株）製 ｉ線用ポジレジスト ＰＦＩ−２７）をスピン塗布し、次いで、プリベーク後、ボンディングパッド部およびスクライブ部に対応するパターンを有するフォトマスク用いて露光、現像を行った。これにより、ボンディングパッド部およびスクライブ部に開口を有するレジストパターンが形成され、このレジストパターンをマスクとして酸素アッシングを行って、当該箇所上の平坦化層をエッチング除去した。次いで、レジスト剥離液を用いてポジレジストを除去した。
次いで、ウェハのダイシングを行い、パッケージ組立を行って、本発明の固体撮像素子を作製した。
このように作製した固体撮像素子にＦ２．８のカメラレンズを組み合わせ、赤色、緑色、青色の各色光間の感度差を測定した結果、主光線入射角度０°では１．１％であり、主光線入射角度１０°では０．７％であり、色シェーディングが抑制されていることが確認できた。

［実施例２］
カラーフィルタを下記のように形成した他は、実施例１と同様に、固体撮像素子を作製した。
（カラーフィルタの形成）
実施例１と同様の材料を使用し、Ｇ、Ｒ、Ｂの形成順序で、上記材料をスピン塗布し、プリベーク、１／５縮小型のｉ線ステッパーによる露光、現像、ポストベークを行って、カラーフィルタを形成した。すなわち、まず、下平坦化層上にＧ用材料を塗布し、露光、現像した後、ポストベーク（２２０℃、１０分間）を行って、市松状に表面が平坦な緑色フィルタ（中央部膜厚１．０μｍ）を形成した。次に、この緑色フィルタを被覆するようにＲ用材料を塗布し、露光波長では解像しないような微細なドットパターンで階調を表現した図１１に示すようなフォトマスクを用いて露光、現像した後、ポストベーク（２２０℃、１０分間）を行って、表面が凸形状の赤色フィルタ（中央部膜厚０．７μｍ、中央部から半径２．８５μｍの距離の周縁部膜厚０．６１μｍ）を形成した。次いで、赤色フィルタ、緑色フィルタを被覆するようにＢ用材料を塗布し、露光波長では解像しないような微細なドットパターンで階調を表現したフォトマスク（図１１に示したフォトマスクの１画素内の遮光部と光透過部を反転したフォトマスク）を用いて露光、現像した後、ポストベーク（２２０℃、１０分間）を行って、表面が凹形状の青色フィルタ（中央部膜厚１．３μｍ、中央部から半径２．８５μｍの距離の周縁部膜厚１．５０μｍ）を形成した。これにより、図６に示されるようなカラーフィルタを形成した。

このように作製した固体撮像素子にＦ２．８のカメラレンズを組み合わせ、赤色、緑色、青色の各色光間の感度差を測定した結果、主光線入射角度０°では０．１％であり、主光線入射角度１０°では０．４％であり、実施例１に比べて更に色シェーディングが抑制されていることが確認できた。

［比較例１］
カラーフィルタを、各色フィルタの厚みが１．０μｍとなるように形成し、このカラーフィルタ上に厚み１．０μｍの上平坦化層を形成した他は、実施例１と同様に、固体撮像素子を作製した。
このように作製した固体撮像素子にＦ２．８のカメラレンズを組み合わせ、赤色、緑色、青色の各色光間の感度差を測定した結果、主光線入射角度０°では１．６％であり、主光線入射角度１０°では１．１％であり、色シェーディングが発生していることが確認された。

［比較例２］
カラーフィルタを構成する赤色フィルタと青色フィルタを入れ換えて形成（赤色フィルタの厚み１．３μｍ、青色フィルタの厚み０．７μｍ）した他は、実施例１と同様に、固体撮像素子を作製した。
このように作製した固体撮像素子にＦ２．８のカメラレンズを組み合わせ、赤色、緑色、青色の各色光間の感度差を測定した結果、主光線入射角度０°では２．１％であり、主光線入射角度１０°では１．４％であり、色シェーディングが発生していることが確認された。

［比較例３］
上平坦化層の形成材料として、マイクロレンズ材料（ＪＳＲ（株）製 ＭＦＲ４０１Ｌ）を使用して、波長４５０ｎｍ、５４０ｎｍ、６２０ｎｍでの屈折率が、それぞれ１．６２、１．６１、１．６０である上平坦化層を形成した他は、実施例１と同様に、固体撮像素子を作製した。
このように作製した固体撮像素子にＦ２．８のカメラレンズを組み合わせ、赤色、緑色、青色の各色光間の感度差を測定した結果、主光線入射角度０°では３．０％であり、主光線入射角度１０°では２．４％であり、色シェーディングが発生していることが確認された。

小型で高信頼性の固体撮像素子、撮像装置が要求される種々の分野において適用できる。

本発明の固体撮像素子の一実施形態を示す概略構成図である。 図１に示される固体撮像素子を構成するカラーフィルタ、上平坦化層、マイクロレンズを示す概略構成図である。 マイクロレンズにおける各色主波長光の集光性を説明するための図である。 マイクロレンズおよび上平坦化層における各色主波長光の集光性を説明するための図である。 マイクロレンズ、上平坦化層およびカラーフィルタにおける各色主波長光の集光性を説明するための図である。本発明の固体撮像素子を構成するマイクロレンズの平面形状を説明するための図である。 本発明の固体撮像素子の他の実施形態を示す図２相当の概略構成図である。 本発明の固体撮像素子の他の実施形態を示す図２相当の概略構成図である。 本発明の固体撮像素子の他の実施形態を示す図２相当の概略構成図である。マイクロレンズ用のフォトマスクの一画素分を示す図である。 本発明の固体撮像素子を構成するカラーフィルタの形成方法の一例を説明する工程図である。 本発明の固体撮像素子を構成するカラーフィルタの緑色フィルタの例を示す平面図である。 カラーフィルタ形成用のフォトマスクを説明するための図である。 本発明の撮像装置の一例を説明するための図である。 本発明の撮像装置の他の例を説明するための図である。

符号の説明

１…固体撮像素子
２…基板
３…受光部
４…電極
５…絶縁層
６…遮光層
７…パッシベーション層
８…下平坦化層
９…カラーフィルタ
９Ｇ…緑色フィルタ
９Ｒ…赤色フィルタ
９Ｂ…青色フィルタ
１０…上平坦化層
１１…マイクロレンズアレイ
１２…マイクロレンズ
２１，３１…撮像装置

Claims (3)

1. ２次元配置された複数の受光部と、下平坦化層と、個々の前記受光部に対応させて赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタが該下平坦化層に配列されてなるカラーフィルタと、該カラーフィルタを被覆するように配設された上平坦化層と、個々の前記受光部に対応させて複数のマイクロレンズが該上平坦化層に２次元配置されてなるマイクロレンズアレイとを少なくとも備え、
   前記赤色フィルタの赤色主波長における屈折率ｎｒ、前記緑色フィルタの緑色主波長における屈折率ｎｇ、前記青色フィルタの青色主波長における屈折率ｎｂとの間に、ｎｒ＞ｎｇ≧ｎｂの関係があり、かつ、屈折率ｎｒ、ｎｇ、ｎｂは対応する波長での前記上平坦化層の屈折率よりも大きく、
   前記赤色フィルタの中央部膜厚Ｄｒ１、前記緑色フィルタの中央部膜厚Ｄｇ１、前記青色フィルタの中央部膜厚Ｄｂ１との間に、Ｄｂ１＞Ｄｇ１＞Ｄｒ１の関係があり、
   前記マイクロレンズの赤色主波長における屈折率ｎＭＬｒ、緑色主波長における屈折率ｎＭＬｇ、青色主波長における屈折率ｎＭＬｂとの間に、ｎＭＬｂ＞ｎＭＬｇ＞ｎＭＬｒの関係があり、かつ、屈折率ｎＭＬｒ、ｎＭＬｇ、ｎＭＬｂは対応する波長での前記上平坦化層の屈折率よりも大きいことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記赤色フィルタの中央部膜厚Ｄｒ１と周縁部膜厚Ｄｒ２、前記緑色フィルタの中央部膜厚Ｄｇ１と周縁部膜厚Ｄｇ２、前記青色フィルタの中央部膜厚Ｄｂ１と周縁部膜厚Ｄｂ２は、Ｄｂ２−Ｄｂ１＞Ｄｇ２−Ｄｇ１＞Ｄｒ２−Ｄｒ１の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子を備えることを特徴とする撮像装置。

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