JP5564751B2

JP5564751B2 - イメージセンサーの製造方法

Info

Publication number: JP5564751B2
Application number: JP2007327780A
Authority: JP
Inventors: 智史北村; 卓嗣冨田
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2027-12-19
Also published as: JP2009152314A

Description

本発明はイメージセンサーの製造方法に関する。

ビデオカメラやデジタルカメラは、高画素化が進んでいる。そのため、ビデオカメラやデジタルカメラに組み込まれるイメージセンサーも高画素となり、その画素サイズは、２μｍ以下から１μｍ前後まで微細化が進むものと予想されている。画素サイズの微細化が進めば、画素面積の低下に応じて画素に入射する光の量が減り、フォトダイオードの感度が低くなる。加えて、配線の線幅が小さくなり誘電層が薄くなると、画素へのノイズの影響も受けやすくなる。これらの問題を解消するために、イメージセンサーとなる半導体基板に形成されたフォトダイオードに対応して形成されたカラーフィルターの上方にマイクロレンズを配置し、入射光を集光することにより光感度を高めている。

しかし、マイクロレンズを配置したとしても、マイクロレンズと受光素子としてのＣＭＯＳやＣＣＤからなるフォトダイオードとの距離が大きいと、入射光を効率よく集光できない。例えば、画素サイズが１．５μｍ、マイクロレンズからフォトダイオードまでの距離が５μｍであれば、カメラレンズから入射する光が２０°の角度を持っていたとしても、マイクロレンズからフォトダイオードには１０°程度の角度の範囲の光しか取り込むことができず、集光効率が悪くなってイメージセンサーの感度の低下につながる。

図１にオンチップカラーフィルター（フォトダイオードが形成された半導体基板に形成し、対応するフォトダイオードに所定の波長の光を入射させるためのカラーフィルター）を有する従来のイメージセンサーの断面図を示す。半導体基板１１に複数のフォトダイオード１２が形成され、半導体基板１１の表面にはシリコン酸化膜またはシリコン窒素酸化膜（図示せず）が形成されている。半導体基板１１上には透明樹脂からなる平坦化層（ＰＬ）１３が形成されている。平坦化層（ＰＬ）１３上には、顔料や染料などの色素を分散させた透明樹脂からなる、赤色カラーフィルター１４、緑色カラーフィルター１５、および青色カラーフィルター１６がフォトダイオードに対応して形成されている。これらのカラーフィルター上に透明樹脂からなる平滑化層（ＦＬ）１７が形成され、その上にフォトダイオードに対応して複数のマイクロレンズ１８が形成されている。

平坦化層（ＰＬ）１３は、半導体基板表面の凹凸を平坦化するとともに、カラーフィルターと半導体基板との接着層としての機能を有する。平滑化層（ＦＬ）１７は、３色のカラーフィルターの画素間段差を解消し、マイクロレンズ１８を形状良く形成しやすくする。マイクロレンズ１８は、集光性を高めるため、個々のレンズ間のギャップをできるだけ狭くし、かつレンズ形状を理想曲線に近づけることが好ましい。画素間の段差が大きく、平滑化層（ＦＬ）１７の平坦性が悪いと、レンズ形状が所望する形状とならず、画素間でレンズ特性にばらつきが生じるおそれがある。

カラーフィルターは、例えば以下のようにして形成される。すなわち、まず、感光性樹脂、顔料や染料などの色素、溶剤および添加剤を含むカラーレジストを、スピンナーなどの塗布装置で平坦化層（ＰＬ）１３上に形成する。次いで、ステッパーなどの露光装置を用い、パターン露光用フォトマスクを介して所定の領域のカラーレジストを選択的に露光（パターン露光）する。次いで、有機アルカリ水溶液などを用いて現像することにより所定の部位にカラーレジストのパターンを残し、純水等を用いて水洗リンスした後、２００℃以上の温度でレジストパターンを硬化させる。このような工程を赤色レジスト、緑色レジスト、青色レジストで３回繰り返すことにより、緑色カラーフィルター、赤色カラーフィルターおよび青色カラーフィルターを得る。

図２（ａ）〜（ｃ）を参照してカラーフィルターの配置および形成順序を説明する。このカラーフィルターは、いわゆるＢａｙｅｒ配列をとっている。まず、図２（ａ）に示すように、平坦化層１３上に緑色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って緑色領域に緑色カラーフィルター１５を市松模様のパターンに配置する。次に、図２（ｂ）に示すように、全面に青色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って青色領域に青色カラーフィルター１６を縦横に配置する。さらに、図２（ｃ）に示すように、全面に赤色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色領域に赤色カラーフィルター１４を縦横に配置する。

なお、緑色、赤色および青色の色分離を良好にするために、緑色の領域を黄色カラーフィルターと緑色カラーフィルターの二層構成とし、赤色の領域を黄色カラーフィルターと赤色カラーフィルターの二層構成とすることが提案されている（特許文献１参照）。この場合にも、カラーフィルターは平坦化層の上に形成されている。また、特許文献１では、黄色カラーフィルター、緑色および赤色のカラーフィルターの一方および他方、青色カラーフィルターの順にカラーフィルターを形成している。

しかし、画素サイズが微細になると、露光時にカラーレジストにフォトマスク上のパターンの形状が正確に転写されなくなる。この結果、現像後に、図３（ａ）に示すように、緑色カラーフィルター１５のコーナー部が欠け、ギャップ１５ａが生じることがある。このギャップ１５ａを通して光が漏れるため、得られた画像にノイズが入る原因となる。

マイクロレンズを形状良く形成するため、マイクロレンズの下地となる面の平坦性を確保するためには、平坦化層（ＰＬ）１３および平滑化層（ＦＬ）１７を厚くする必要がある。しかし、この場合には上述したようにマイクロレンズからフォトダイオードまでの距離が大きくなるため感度が低下する。

図３（ａ）に示したギャップ１５ａの発生を防止するために、図３（ｂ）のように緑色カラーフィルター１５のコーナー部にブリッジ１５ｂを追加形成することも考えられる。しかし、ブリッジ１５ｂを形成すると、青色および赤色の領域が小さくなり、青色領域及び赤色領域への集光性が低下し、画像の色バランスが悪くなる。また、緑色カラーフィルター１５を形成後に緑色レジストの不要な残渣が生じやすくなり、また、パターンの開口形状が丸くなりやすくなるという問題が生じる。

一方、感度を重視して、マイクロレンズからフォトダイオードまでの距離を小さくするために、図４に示すように、平坦化層（ＰＬ）を省略した構造のイメージセンサーも提案されている。図４のイメージセンサーは、半導体基板１１／３色のカラーフィルター１４、１５、１６／平滑化層１７／マイクロレンズ１８という積層構造を有する。

しかし、図４のイメージセンサーでは、レジストへのパターン露光の際に膜厚の厚いカラーレジストの底部にまで十分な露光光が達しにくくなる結果、カラーフィルターの密着性が悪くなるという問題が生じる。特に画素サイズが小さくなると基板とカラーフィルターとの接触面積が減るため、カラーフィルターの密着性の悪化によるパターン剥れの問題が著しくなる。なお、レジストへの露光光の波長はｉ線（３６５ｎｍ）の光を使うのが主流となっている。青色のレジストはｉ線の透過率が低いので特に青色レジストの下地への密着力が小さくなり、青色レジストの剥れ問題は大きかった。カラーフィルターの密着性を確保するためには、カラーレジストへの露光量を増やすことが考えられる。しかし、その場合、パターン露光用マスクに形成する露光用パターンの補正を大きくする必要があり、カラーフィルターの形状を悪化させるか、または解像度を低下させることになる。また、色素として顔料を含むカラーフィルターでは、必要な分光特性を持たせるために、顔料濃度が限界に近くなっているため、必要な分光特性を持たせるとともに密着性を向上させることは困難である。

また、図１および図４のいずれの構造のイメージセンサーでも、膜厚の厚い緑色カラーフィルター１５を形成した後に、青色カラーフィルター１６を形成しようとすると、緑色カラーフィルター１５と青色カラーフィルター１６との境界の青色カラーフィルター１６のエッジ部にツノ段差が生じやすい。青色カラーフィルター１６にツノ段差（突起）が生じた場合には、画素間段差の影響を少なくするために平滑化層（ＦＬ）１７を厚くする必要がある。しかし、この場合、マイクロレンズからフォトダイオードまでの距離が大きくなるため感度が低下する。
特開２００６−７８７６６号公報

本発明の目的は、微細な画素サイズであっても、基板への密着性が高く、形状に優れたカラーフィルターを有し、かつマイクロレンズからフォトダイオードまでの距離が短く、感度の高いイメージセンサーを提供することにある。

請求項１に係る発明は、複数のフォトダイオードが形成された半導体基板と、それぞれのフォトダイオードに対応して形成された緑色、赤色および青色のカラーフィルターとを
有するイメージセンサーにおいて、前記半導体基板はその上に平坦化層を有さず、緑色の領域の前記半導体基板上に直接形成された黄色カラーフィルターとその上に積層された緑色カラーフィルターとを有し、赤色の領域の前記半導体基板上に直接形成された黄色カラーフィルターとその上に積層された赤色カラーフィルターとを有し、前記黄色カラーフィルターの厚さが０．０５〜０．５μｍであり、前記青色カラーフィルター、緑色カラーフィルターおよび赤色カラーフィルターの上に、さらに平滑化層およびマイクロレンズを有することを特徴とするイメージセンサーを製造するにあたり、前記半導体基板上に直接に黄色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色および緑色の領域に黄色カラーフィルターのパターンを形成する工程と、全面に青色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って青色の領域に青色カラーフィルターのパターンを形成する工程と、全面に赤色カラーレジストおよび緑色カラーレジストのうち一方を塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色および緑色のうち一方の領域に黄色カラーフィルター上に積層された赤色カラーフィルターおよび緑色カラーフィルターのうち一方を形成する工程と、全面に赤色カラーレジストおよび緑色カラーレジストのうち他方を塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色および緑色のうち他方の領域に黄色カラーフィルター上に積層された赤色カラーフィルターおよび緑色カラーフィルターのうち他方を形成する工程とを、この順序で有することを特徴とするイメージセンサーの製造方法である。

本発明によれば、１μｍ前後の画素サイズであっても、基板への密着性が高く、形状に優れたカラーフィルターを有し、かつマイクロレンズからフォトダイオードまでの距離が短く、感度の高いイメージセンサーを提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

図５に本発明の一実施形態に係るイメージセンサーの断面図を示す。半導体基板１１には受光素子としてＣＭＯＳやＣＣＤからなる複数のフォトダイオード１２が形成され、半導体基板１１の表面にはシリコン酸化膜またはシリコン窒素酸化膜（図示せず）が形成されている。赤色および緑色の領域には、半導体基板１１上に直接、黄色カラーフィルター２１が形成されている。黄色カラーフィルター２１は、従来の赤色カラーフィルターと緑色カラーフィルターに共通に含まれていた黄色顔料を含んでいる。赤色の領域には黄色カラーフィルター２１上に赤色カラーフィルター１４が積層されている。本発明に用いる赤色カラーフィルター１４は、従来の赤色カラーフィルターに含まれていた黄色顔料のうち、黄色カラーフィルター２１に含まれる黄色顔料を有さない。すなわち、本発明では、黄色カラーフィルター２１と赤色カラーフィルター１４の二層で従来の赤色カラーフィルターと同様の所定の分光特性を示す。緑色の領域には黄色カラーフィルター２１上に緑色カラーフィルター１５が積層されている。本発明に用いる緑色カラーフィルター１５は、従来の緑色カラーフィルターに含まれていた黄色顔料のうち、黄色カラーフィルター２１に含まれる黄色顔料を有さない。すなわち、本発明では、黄色カラーフィルター２１と緑色カラーフィルター１５の二層で従来の緑色カラーフィルターと同様の所定の分光特性を示す。青色の領域には半導体基板１１上に直接、青色カラーフィルター１６が形成されている。これらのカラーフィルター上に透明樹脂からなる平滑化層（ＦＬ）１７が形成され、その上にマイクロレンズ１８が形成されている。

図６（ａ）〜（ｄ）を参照してカラーフィルターの配置および形成順序を説明する。このカラーフィルターは、いわゆるＢａｙｅｒ配列をとっている。まず、図６（ａ）に示すように、半導体基板１１上に直接に黄色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色および緑色の領域に黄色カラーフィルター２１のパターンを配置する。次いで、図６（ｂ）に示すように、全面に青色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って青色領域に青色カラーフィルター１６を縦横に配置する。次いで、図６（ｃ）に示すように、全面に赤色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色領域に赤色カラーフィルター１４を縦横に配置する。次いで、図６（ｄ）に示すように、全面に緑色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って緑色領域に緑色カラーフィルター１５を縦横に配置する。なお、青色カラーフィルター１６を形成した後は、赤色カラーフィルター１４と緑色カラーフィルター１５の形成順序はどちらが先でもよい。

本発明によれば、平坦化層を省略しているので、マイクロレンズ１８からフォトダイオード１２までの距離を小さくでき、高感度を維持できる。また、半導体基板１１上に直接形成される黄色カラーフィルター２１の膜厚が薄く、露光時に底部まで露光光が十分に達するので、黄色カラーフィルター２１を半導体基板１１に強固に接着させることができる。また、薄い黄色カラーフィルター２１と接して、黄色カラーフィルター２１より厚い膜厚で形成される青色カラーフィルター１６では、黄色フィルター２１と青色フィルター１６との境界部のエッジにツノ段差（突起）が生じにくく、平滑化層１７を厚くする必要がないので、感度の低下を招くことがない。なお、黄色カラーフィルター２１の厚さが０．０５〜０．５μｍであれば、これらの効果を得るのに有効である。また、黄色カラーフィルター２１によって緑色カラーフィルター１５および赤色カラーフィルター１４を保持することができ、これらのカラーフィルターの剥がれを防止できる。また、黄色カラーフィルター２１、緑色カラーフィルター１５および赤色カラーフィルター１４によって、隣接する青色カラーフィルター１６は保持されるので、青色カラーフィルター１６の剥れも防止できる。したがって、１μｍ前後の微細な画素サイズであっても密着性、解像性に優れたカラーフィルターを有し、かつ感度の高いイメージセンサーを提供することができる。

以下、本発明において用いられる材料について説明する。

３原色のカラーフィルターを有するイメージセンサーにおける各カラーフィルターの主感度は、青色が４５０ｎｍ、緑色が５３０ｎｍ、赤色が６２０ｎｍ付近にある。

従来の緑色カラーフィルターは数種の緑色の色素と黄色の色素を含み、特に４００〜４８０ｎｍの透過率を黄色の色素で調整している。また、赤色カラーフィルターは数種の赤色の色素と黄色の色素を含み、特に４００〜４５０ｎｍの透過率を黄色の色素で調整している。このため、本発明のように緑色領域を黄色の色素を含む黄色カラーフィルターと緑色の色素を含む緑色カラーフィルターとの二層構成とし、赤色領域では前記緑色領域で形成したのと同一の黄色カラーフィルターと赤色の色素を含む赤色カラーフィルターとの二層構成とした場合にも各々の領域で所望の透過率を得ることができる。

本発明の黄色カラーフィルター２１に用いられる黄色の顔料または染料としては以下のようなものが挙げられる。黄色顔料としては、例えばＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１５０、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１８５などを単独でまたは混合して使用することができる。黄色染料としては、例えばＣ．Ｉ．Ａｃｉｄイエロー１７、４９、６７、７２、１２７、１１０などを使用することができる。

本発明の緑色カラーフィルター１５に用いられる緑色の顔料または染料としては以下のようなものが挙げられる。緑色顔料としては、例えばＣ．Ｉ．ピグメントグリーン７、３６、３７を使用することができる。緑色染料としては、例えばＣ．Ｉ．Ａｃｉｄグリーン２５、４１を使用することができる。

本発明の赤色カラーフィルター１４に用いられる赤色の顔料または染料としては以下のようなものが挙げられる。赤色顔料としては、例えばＣ．Ｉ．ピグメントレッド１２３、１５５、１６８、１７７、１８０、２１７、２２０のいずれかを使用することができる。赤色染料としては、例えばＣ．Ｉ．Ａｃｉｄレッド３７、５０、１１１、１１４、２５７、２６６のいずれかを使用することができる。

すなわち、例えば、従来の緑色フィルターは、黄色顔料としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９と、緑色顔料としてＣ．Ｉ．ピグメントグリーン７、３６、３７を含むものとする。また、従来の赤色フィルターは、黄色顔料としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９と、赤色顔料としてＣ．Ｉ．ピグメントレッド１２３を含むものとする。その場合、本発明では、黄色フィルター２１にＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９を含め、赤色フィルター１４にはＣ．Ｉ．ピグメントレッド１２３を、また、緑色フィルター１５にはＣ．Ｉ．ピグメントグリーン７、３６、３７を含ませる。

青色カラーフィルターに用いられる青色の顔料または染料としては以下のようなものが挙げられる。青色顔料としては、例えばＣ．Ｉ．ピグメントブルー１５、１５：３、１５：４、１５：６、６、２２、６０のいずれかを使用することができる。青色染料としては、例えばＣ．Ｉ．Ａｃｉｄブルー４１、８３、９０、１１３、１２９のいずれかを使用することができる。

平滑化層１７の材料としては、例えば熱硬化性のアクリル樹脂を用いることができる。

マイクロレンズに用いられる材料およびその製造方法を説明する。まず、平滑化層１７の上に例えばアクリル樹脂の塗布液を用いて透明樹脂層を形成する。次に、透明樹脂層の上に例えばアルカリ可溶性・感光性・熱フロー性をもつ例えばフェノール樹脂からなるレンズ母型材料を塗布する。次に、公知のフォトリソグラフィーブロセスを使用して、レンズ母型となる領域を残すようにレンズ母型材料をパターニングする。残されたレンズ母型材料を熱処理して熱リフローさせ、半球状に変形させてレンズ母型を形成する。リフロー量を片側０．１μｍ程度の適正量にすることにより、単位レンズ母型間のギャップが例えば０．２４μｍ程度のスムースな半球状にすることができる。次に、ドライエッチング装置により、ＣＦ₄、Ｃ₄Ｆ₈の混合ガスを用い、レンズ母型をマスクとして透明樹脂層に対してレンズ母型の形状の転写処理を行い、マイクロレンズを形成する。レンズ母型および透明樹脂層を上方から均一にエッチングすると、レンズ母型の形状を保ったまま下方にエッチングが進むため、透明樹脂層の形状をレンズ母型の形状と同じ形状にエッチングすることができる。マイクロレンズは高さが例えば１μｍ、単位レンズ間のギャッブが例えば０．０４μｍとなる。

従来のイメージセンサーの断面図。従来のイメージセンサーのカラーフィルターの配置および形成順序を説明する平面図。従来のイメージセンサーの問題点を説明する平面図。従来の他のイメージセンサーの断面図。本発明の実施形態に係るイメージセンサーの断面図。本発明の実施形態に係るイメージセンサーのカラーフィルターの配置および形成順序を説明する平面図。

符号の説明

１１…半導体基板、１２…フォトダイオード、１３…平坦化層（ＰＬ）、１４…赤色カラーフィルター、１５…緑色カラーフィルター、１６…青色カラーフィルター、１７…平滑化層（ＦＬ）、１８…マイクロレンズ、２１…赤色カラーフィルター。

Claims

複数のフォトダイオードが形成された半導体基板と、それぞれのフォトダイオードに対応して形成された緑色、赤色および青色のカラーフィルターとを有するイメージセンサーにおいて、前記半導体基板はその上に平坦化層を有さず、緑色の領域の前記半導体基板上に直接形成された黄色カラーフィルターとその上に積層された緑色カラーフィルターとを有し、赤色の領域の前記半導体基板上に直接形成された黄色カラーフィルターとその上に積層された赤色カラーフィルターとを有し、前記黄色カラーフィルターの厚さが０．０５〜０．５μｍであり、前記青色カラーフィルター、緑色カラーフィルターおよび赤色カラーフィルターの上に、さらに平滑化層およびマイクロレンズを有することを特徴とするイメージセンサーを製造するにあたり、
前記半導体基板上に直接に黄色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色および緑色の領域に黄色カラーフィルターのパターンを形成する工程と、
全面に青色カラーレジストを塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って青色の領域に青色カラーフィルターのパターンを形成する工程と、
全面に赤色カラーレジストおよび緑色カラーレジストのうち一方を塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色および緑色のうち一方の領域に黄色カラーフィルター上に積層された赤色カラーフィルターおよび緑色カラーフィルターのうち一方を形成する工程と、
全面に赤色カラーレジストおよび緑色カラーレジストのうち他方を塗布し、パターン露光、現像および熱硬化を行って赤色および緑色のうち他方の領域に黄色カラーフィルター上に積層された赤色カラーフィルターおよび緑色カラーフィルターのうち他方を形成する工程と
を、この順序で有することを特徴とするイメージセンサーの製造方法。