JP6911353B2 - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents
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また、近年、グレイスケールマスクを用いてマイクロレンズを製造する方法も種々提案されている。例えば、特許文献1では、露光量が多少変動したとしても安定したマイクロレンズの形状を得ることが可能な、グレイスケールマスクの設計方法、グレイスケールマスク及びマイクロレンズの製造方法が提案されている。
固体撮像素子の感度を向上させるために、クロストークを軽減することも求められている。クロストークとは、本来、ある色に入射するはずの光が、各色の顔料の屈折率差の影響により、隣の色に入射される現象のことをいう。クロストークの影響により、屈折率の低い色は隣の屈折率の高い色によって光を失うため、受光部への光量が減少して感度低下が生じる。
つまり、クロストークが軽減されることでマイクロレンズの集光効率が改善される。
本発明の課題は、クロストークの軽減により集光効率が改善されたマイクロレンズを有する固体撮像素子およびその製造方法を提供することにある。
そして、複数のマイクロレンズの縁部は隣同士で谷状に連結され、連結部を成す谷部の半導体基板面に垂直な断面形状は、行列の行に沿った第一断面、行列の列に沿った第二断面、および行と列に対して45度となる第三断面において、V字状である。
そして、マイクロレンズ形成工程は、母型層形成工程とレンズ母型形成工程と熱フロー工程とを有する。母型層形成工程は、複数のカラーフィルタ上に、感光性と熱フロー性を有する透明樹脂からなるレンズ母型層を形成する工程である。レンズ母型形成工程は、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法によりレンズ母型層に複数のレンズ母型を形成する工程であって、隣り合うレンズ母型の縁部間に隙間を設け、複数のレンズ母型の形状を、複数のマイクロレンズよりもカラーフィルタからの高さが高くカラーフィルタ面での広がりが小さい形状とする工程である。熱フロー工程は、複数のレンズ母型を加熱して複数のマイクロレンズを形成する工程である。
図1〜図3に示すように、本実施形態の固体撮像素子6は、半導体基板1の上に、光電変換素子2、平坦化層3、複数のカラーフィルタ4、及び複数のマイクロレンズ5がこの順に積層されて形成されている。なお、図1では、複数の光電変換素子2及び複数のカラーフィルタ4の配置を分かりやすくするため、固体撮像素子6における他の構成については省略している。
半導体基板1は、光電変換素子2を実装するための基板である。光電変換素子2は、マイクロレンズ5、カラーフィルタ4を経由して入射した光を電荷に変換する。平坦化層3はマイクロレンズ5の実装面である、半導体基板1の上面を平坦化する。
複数のカラーフィルタ4は、平坦化層3を介して、複数の光電変換素子2上にそれぞれ形成される。複数のカラーフィルタ4は、光電変換素子2に入射する光の経路において、特定の波長の光を透過する役割がある。本実施形態では、複数のカラーフィルタ4は、赤色(R)、緑色(G)及び青色(B)の3色のうちいずれか1つの色を透過させるものであり、3色がベイヤー配列したものである。
また、複数のマイクロレンズ5の縁部は隣同士で谷状に連結されている。さらに、複数のマイクロレンズ5の連結部5aを成す谷部の半導体基板面に垂直な断面形状は、行列の行に沿った第一断面、行列の列に沿った第二断面、および行と列に対して45度となる第三断面において、V字状である。
また、第一断面、第二断面、および第三断面における複数のマイクロレンズの連結部5aを除いた表面5bを示す線は、図2および図3に示すように放物線であるが、円弧や正弦波形であってもよい。
一方、例えば、図5(b)に示すように、複数のマイクロレンズ5間の谷間の曲率半径Rが小さい場合、着色透明画素の青色上の隣接付近のマイクロレンズに入射する光は、多くの光は光路変更されずにカラーフィルタ4、平坦化層3を通って光電変換素子2に入る。その結果、クロストークの影響は軽減され、集光効率を高めることができる。
図5(b)に示す例であって、曲率半径Rが50nm以下であるものが「谷部の半導体基板面に垂直な断面形状がV字状である」に含まれる。また、当然のことであるが、谷部の最下点が直線同士の接触点である例(上記式で、最下点Lが例えばf(x)=|x|のx=0の場合)も「谷部の半導体基板面に垂直な断面形状がV字状である」に含まれる。
次に、図6を参照して、本実施形態の固体撮像素子6の製造方法について説明する。
まず、光電変換素子2が表面部に形成された半導体基板1(図6では不図示)の上に、平坦化層3(図6では不図示)、カラーフィルタ4の層を順次積層する(カラーフィルタ形成工程)。カラーフィルタ形成工程では、複数の光電変換素子上に、RGBのいずれかに対応した3種類のカラーフィルタが行列状に(例えば図1に示すような所定のパターンで)配置されて積層される。
次いで、図6(b)に示すように、レンズ母型層10に対して、フォトリソグラフィ法に基づき、グレートーンマスク11を用いた露光を行った後、現像、及びベークを行うことで、複数のマイクロレンズ5の母型(レンズ母型)12を形成する(レンズ母型形成工程)。この工程で、隣り合うレンズ母型12の縁部間に隙間を設け、複数のレンズ母型12の形状を、複数のマイクロレンズ5よりもカラーフィルタ4からの高さが高くカラーフィルタ面での広がりが小さい形状とする。
なお、レンズ母型12は、次工程である熱フロー工程での熱フロー量を考慮して、隣り合うレンズ母型12の縁部間の隙間を50nm以上250nm以下にする。
本実施形態の固体撮像素子によれば、マイクロレンズ形成工程において、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法によりマイクロレンズの母型を形成することで、マイクロレンズ形状の制御が容易となり、各個体撮像素子毎に最適なマイクロレンズ形状を選択し形成することが可能となることで、光電変換素子への集光効率が高められる効果がある。
また、熱フローによりマイクロレンズを形成することにより隣接するマイクロレンズ間の谷間を狭小化することが可能となるので、光電変換素子への集光効率を高められる効果がある。
半導体基板として、厚さ0.75mm、直径20cmのシリコンウエハを使用した。このシリコンウエハの表面上部に光電変換素子を形成し、その最上層に、熱硬化タイプのアクリル系樹脂塗布液を用いてスピンコートにて平坦化層を形成した。
次いで、平坦化層上に、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)3色のカラーレジストを用い、フォトリソグラフィ法により、順次3色のカラーフィルタ層を形成した。各々のカラーフィルタ層の膜厚は、0.5〜0.8μmとした。カラーフィルタ層の画素の配列は、一画素おきに緑色(G)フィルタが設けられ、緑色(G)フィルタの間に一行おきに赤(R)フィルタと青(B)フィルタが設けられた、いわゆるベイヤー配列とした。
その後、アクリル系透明樹脂に対して、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法にてマイクロレンズの母型を形成した。本実施例1のグレートーンマスクは熱フロー後にマイクロレンズの形状が放物線形状になるようにフォトマスク設計されたものを使用した。
次に、ベーク処理にて、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法にて形成したマイクロレンズの母型を熱フローさせた。このときのベーク条件は、160℃→180℃→250℃の3段ステップで処理を施した。
また、本実施例1で形成された固体撮像素子と従来品の受光効率を計測したところ、実施例1で形成した固体撮像素子の方が約5.3%程度良好な結果であることを確認した。実施例1で比較した従来品は、母型を経ずに、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法により、直接、実施例1と同じ形状の設計でマイクロレンズを形成したものである。この従来品は、複数のマイクロレンズの縁部が隣同士で谷状に連結され、連結部を除いた部分の表面を示す線は放物線で、連結部を成す谷部の半導体基板に垂直な断面形状は円弧状であって、その曲率半径は、横断面方向が194nm、45度断面方向が104nmであった。
半導体基板として、厚さ0.75mm、直径20cmのシリコンウエハを使用した。このシリコンウエハの表面上部に光電変換素子を形成し、その最上層に、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にて平坦化層を形成した。
次いで、平坦化層上に、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)3色のカラーレジストを用い、フォトリソグラフィ法により、順次3色のカラーフィルタ層を形成した。各々のカラーフィルタ層の膜厚は、0.5〜0.8μmになるように形成した。カラーフィルタ層の画素の配列は、一画素おきに緑色(G)フィルタが設けられ、緑色(G)フィルタの間に一行おきに赤(R)フィルタと青(B)フィルタが設けられた、いわゆるベイヤー配列とした。
その後、アクリル系透明樹脂に対して、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法にてマイクロレンズの母型を形成した。本実施例2のグレートーンマスクは熱フロー後にマイクロレンズの形状が円弧形状になるようにフォトマスク設計されたものを使用した。
次に、ベーク処理にて、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法にて形成したマイクロレンズの母型を熱フローさせた。このときのベーク条件は、160℃→180℃→250℃の3段ステップで処理を施した。
また、本実施例2で形成された固体撮像素子と従来品の受光効率を計測したところ、実施例2で形成した固体撮像素子の方が約4.8%程度良好な結果であることを確認した。実施例2で比較した従来品は、母型を経ずに、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法により、直接、実施例2と同じ形状の設計でマイクロレンズを形成したものである。この従来品は、複数のマイクロレンズの縁部が隣同士で谷状に連結され、連結部を除いた部分は球面状で、連結部を成す谷部の半導体基板に垂直な断面形状は円弧状であって、その曲率半径は、横断面方向が212nm、45度断面方向が114nmであった。
半導体基板として、厚さ0.75mm、直径20cmのシリコンウエハを使用した。このシリコンウエハの表面上部に光電変換素子を形成し、その最上層に、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にて平坦化層を形成した。
次いで、平坦化層上に、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)3色のカラーレジストを用い、フォトリソグラフィ法により、順次3色のカラーフィルタ層を形成した。各々のカラーフィルタ層の膜厚は、0.5〜0.8μmになるように形成した。カラーフィルタ層の画素の配列は、一画素おきに緑色(G)フィルタが設けられ、緑色(G)フィルタの間に一行おきに赤(R)フィルタと青(B)フィルタが設けられた、いわゆるベイヤー配列とした。
その後、アクリル系透明樹脂に対して、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法にてマイクロレンズの母型を形成した。本実施例2のグレートーンマスクは熱フロー後にマイクロレンズの形状が正弦波形状になるようにフォトマスク設計されたものを使用した。
走査型プローブ顕微鏡で、本実施例3で形成されたマイクロレンズを形状測定したところ、複数のマイクロレンズの縁部は隣同士で谷状に連結され、連結部を成す谷部の半導体基板に垂直な断面形状は、横断面(第一断面および第二断面)、45度断面(第三断面)ともにV字状となっていることと、連結部を除いた部分の表面を示す線は正弦波形であることを確認した。
実施例1〜3の結果を下記の表1にまとめて示す。
2 光電変換素子
3 平坦化層
4 カラーフィルタ
5 マイクロレンズ
5a マイクロレンズの連結部
5b マイクロレンズの連結部を除いた表面
6 固体撮像素子
10 レンズ母型層
11 グレートーンマスク
12 レンズ母型
R 隣接するマイクロレンズ間の谷間の曲率半径
L 隣接するマイクロレンズ間の谷間の最下点
Claims (2)
- 半導体基板上に形成され前記半導体基板の面内に行列状に配置された複数の光電変換素子上に、平坦化層を介して、複数のカラーフィルタをそれぞれ形成するカラーフィルタ形成工程と、前記カラーフィルタ形成工程の後、前記複数のカラーフィルタ上に複数のマイクロレンズをそれぞれ形成するマイクロレンズ形成工程と、を含み、
前記マイクロレンズ形成工程は、
前記複数のカラーフィルタ上に、感光性と熱フロー性を有する透明樹脂からなるレンズ母型層を形成する母型層形成工程と、
グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ法により前記レンズ母型層に複数のレンズ母型を形成する工程であって、隣り合う前記レンズ母型の縁部間に隙間を設け、前記複数のレンズ母型の形状を、前記複数のマイクロレンズよりも前記カラーフィルタからの高さが高く前記カラーフィルタ面での広がりが小さい形状とするレンズ母型形成工程と、
前記複数のレンズ母型を加熱して前記複数のマイクロレンズを形成する熱フロー工程と、
を有し、
前記グレートーンマスクは、前記レンズ母型の形状を、
前記熱フロー工程後に前記マイクロレンズの形状が、
前記複数のマイクロレンズの縁部が隣同士で谷状に連結され、連結部を成す谷部の前記半導体基板面に垂直な断面形状が、前記行列の行に沿った第一断面、前記行列の列に沿った第二断面、および前記行と前記列に対して45度となる第三断面において、V字状になるように制御するための、フォトマスク設計がなされたものであり、
前記レンズ母型形成工程と前記熱フロー工程との間に前記複数のマイクロレンズの縁部に対する露光工程を行わない固体撮像素子の製造方法。 - 前記隙間を50nm以上250nm以下にする請求項1に記載の固体撮像素子の製造方法。
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