(57)【要約】【課題】  光電変換部または光変調部の光入射側又は光出射側に光フィルタを備えた光学装置であって、単位セルが微小化しても形状悪化とそれに起因する分光特性の悪化が生じにくく、生産性や歩留まりよく製造できる光フィルタを備えた光学装置及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  ＣＣＤ固体撮像素子２０では、シリコン基板１にフォトセンサ部３や、信号電荷の垂直転送部４を形成し、その上にゲート絶縁膜２を介して第１ゲート電極６などを形成し、光電変換部を形成する。その光入射側に、基板１に垂直に立ち上がるように、単位セル領域に対応してカラーフィルタ層１５を互いに分離する区画体１３を形成する。区画体１３によって囲まれた受光部領域１４に、染料含有フォトレジストのリフローによって画素カラーフィルタ層１５を形成する。或いは、染料を含有したネガ型化学増幅型フォトレジストを用いて、画素カラーフィルタ層１５を形成する。【選択図】          図１
2006128433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部又は光変調部の光入射側又は光出射側に光フィルタを備えた光学装置であって、前記光フィルタが、
前記光電変換部又は光変調部の光入射側又は光出射側の単位セル領域に対応したフィ  ルタ部を互いに分離する区画体と、
前記区画体で囲まれた領域内に配され、リフローによって前記区画体に密着している  フィルタ材からなる前記フィルタ部と
を有する、光フィルタ付き光学装置。
【請求項２】
前記区画体が前記リフローによって変形しない材料からなる、請求項１に記載した光フィルタ付き光学装置。
【請求項３】
前記フィルタ材が染料含有フォトレジストからなる、請求項１に記載した光フィルタ付き光学装置。
【請求項４】
光電変換部又は光変調部の光入射側又は光出射側に光フィルタを備えた光学装置であって、前記光フィルタが、
前記光電変換部又は光変調部の光入射側又は光出射側の単位セル領域に対応したフィ  ルタ部を互いに分離する区画体と、
前記区画体で囲まれた領域内に配され、化学増幅作用によって前記区画体に密着硬化  しているネガ型の化学増幅型フォトレジストからなる前記フィルタ部と
を有する、光フィルタ付き光学装置。
【請求項５】
前記光フィルタが、光透過特性が異なる複数種の前記フィルタ部によって構成されている、請求項１又は４に記載した光フィルタ付き光学装置。
【請求項６】
前記光フィルタが、透過波長特性の異なる多色カラーフィルタとして構成されている、請求項５に記載した光フィルタ付き光学装置。
【請求項７】
前記区画体が枠状パターンの壁部として形成されている、請求項１又は４に記載した光フィルタ付き光学装置。
【請求項８】
前記区画体が、前記フィルタ材よりも屈折率の小さい材料からなる、請求項１又は４に記載した光フィルタ付き光学装置。
【請求項９】
前記区画体が多孔質シリカからなる、請求項８に記載した光フィルタ付き光学装置。
【請求項１０】
前記区画体の側面に光反射層が設けられている、請求項１又は４に記載した光フィルタ付き光学装置。
【請求項１１】
前記単位セル領域において、前記光フィルタの下地として、前記光電変換部又は光変調部との間の光透過領域に高屈折率材料層が配置され、この高屈折率材料層の周囲に低屈折率材料層が配置されている、請求項１又は４に記載した光フィルタ付き光学装置。
【請求項１２】
前記高屈折率材料層が窒化シリコンからなり、前記低屈折率材料層が多孔質シリカからなる、請求項１１に記載した光フィルタ付き光学装置。
【請求項１３】
前記下地と前記光フィルタとの間に、前記区画体をエッチング加工する際のストッパ層が形成されている、請求項１１に記載した光フィルタ付き光学装置。
【請求項１４】
前記画素フィルタの光入射側又は光出射側に前記単位セルごとにマイクロレンズが設けられている、請求項１又は４に記載した光フィルタ付き光学装置。
【請求項１５】
固体撮像素子として構成された、請求項１又は４に記載した光フィルタを備えた光学装置。
【請求項１６】
請求項１に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法であって、
前記光電変換部又は光変調部の光入射側又は光出射側の単位セル領域を互いに分離す  る区画体を形成する工程と、
前記区画体で囲まれた領域内に前記フィルタ材を設ける工程と、
前記フィルタ材を所定温度に加熱してリフローさせる工程と
を有する、光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項１７】
前記区画体を前記リフロー時に変形しない材料によって形成する、請求項１６に記載した光フィルタ付き光学装置。
【請求項１８】
前記フィルタ材として染料含有フォトレジストを用いる、請求項１６に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項１９】
前記染料含有フォトレジストの塗布後のリソグラフィ及びエッチングによって、前記区画体の内壁面から離れた位置に外側面が存在するように前記フィルタ材をパターニングする、請求項１８に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項２０】
請求項４に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法であって、
前記光電変換部又は光変調部の光入射側又は光出射側の単位セル領域を互いに分離す  る区画体を形成する工程と、
少なくとも前記区画体で囲まれた受光部領域の全面にネガ型の化学増幅型染料含有フ  ォトレジストを設ける工程と、
前記区画体よりも内側に存在する前記化学増幅型フォトレジストを露光する工程と、
加熱処理によって、露光された前記化学増幅型フォトレジストと前記区画体との間に  存在する未露光の前記化学増幅型フォトレジストを不溶化する工程と
を有する、光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項２１】
所定の単位セル領域以外に存在する未露光の前記化学増幅型フォトレジストを除去する、請求項２０に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項２２】
前記区画体の内壁面との接触領域を除いて前記化学増幅型フォトレジストを露光する、請求項２０に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項２３】
前記光フィルタを、光透過特性が異なる複数種の前記フィルタ部によって構成する、請求項１６又は２０に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項２４】
前記光フィルタを、透過波長特性の異なる多色カラーフィルタとして構成する、請求項２３に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項２５】
前記区画体を枠状パターンの壁部として形成する、請求項１６又は２０に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項２６】
前記区画体を、前記画素フィルタよりも屈折率の小さい材料で形成する、請求項１６又は２０に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項２７】
前記区画体を多孔質シリカによって形成する、請求項２６に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項２８】
前記区画体の側面に光反射層を設ける、請求項１６又は２０に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項２９】
前記単位セル領域において、前記光フィルタの下地として、前記光電変換部又は光変調部との間の光透過領域に高屈折率材料を配置し、この高屈折率材料層の周囲に低屈折率材料層を配置する、請求項１６又は２０に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項３０】
前記高屈折率材料層を窒化シリコンを用いて形成し、前記低屈折率材料層を多孔質シリカを用いて形成する、請求項２９に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項３１】
前記下地と前記光フィルタとの間に、前記区画体をエッチング加工する際のストッパ層を形成する、請求項２９に記載した光フィルタ付き光学装置。
【請求項３２】
前記画素フィルタの光入射側又は光出射側に前記単位セルごとにマイクロレンズを設ける、請求項１６又は２０に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【請求項３３】
固体撮像素子を製造する、請求項１６又は２０に記載した光フィルタ付き光学装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）や液晶表示装置などの、光電変換部または光変調部の光入射側または光出射側に光フィルタを備えた光フィルタ付き光学装置、及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
単板式のカラー用固体撮像素子では、センサ部の光入射側に、透過波長特性（分光特性）の異なる複数色の画素カラーフィルタが所定の繰り返し色配列で配置された多色カラーフィルタが設けられ、所望の色信号が得られるように構成されている。
【０００３】
ＣＣＤに代表される固体撮像素子は、近年、画素数の増大と装置の小型化において、著しい向上が実現され、それに応じて多色カラーフィルタの構造などに関しても、色再現性の向上や色むらの防止を目的として、種々の工夫が行われている。
【０００４】
例えば、固体撮像素子の多色カラーフィルタは、従来、ガゼインやゼラチンなどの被染色体をカラーフィルタの色に対応した染料で着色させる染色法で形成するのが一般的であったが、近年、固体撮像素子の単位セル（単位画素）の微細化にともない、十分な精度をもつ微細なカラーフィルタを染色法によって形成することが困難になってきた。
【０００５】
そこで、染色法に代わって、加工性に優れる染料含有フォトレジストを用いる方法が採用されるようになってきた。ここで、染料含有フォトレジストとは、ノボラック樹脂などのバインダー樹脂と感光剤と熱硬化剤とから成るフォトレジストに、染料を混合して形成されるフォトレジストである。
【０００６】
例えば、後述の特許文献１には、白色フィルタ、黄色フィルタ、シアン色フィルタおよび緑色フィルタの４色のカラーフィルタからなる多色カラーフィルタの形成方法が開示されている。なお、この方法では、白色フィルタに求められる分光特性は、黄色フィルタの透過率を増大させることによって得られることを利用して、黄色フィルタの膜厚を薄くしたものを白色フィルタとすることとし、黄色フィルタと白色フィルタは、黄色染料を用いた工程で同時に形成する。
【０００７】
図１１は、特許文献１に開示されている従来の多色カラーフィルタ１０９の形成方法を示す断面図である。
【０００８】
まず、図１１（ａ）に示すように、表面を平坦化した下地層１０１の上に、黄色染料含有ポジ型フォトレジスト１０２を１．５μｍの厚さに塗布する。下地層１０１の下方には、図示しないフォトセンサ部が設けられ、ＣＣＤ固体撮像素子の場合には、さらに転送電極や遮光膜やＣＣＤレジスタなどが形成されている。
【０００９】
次に、図１１（ｂ）に示すように、黄色フィルタと白色フィルタを形成する部分を第１のマスク１０３で被覆して、黄色染料含有ポジ型フォトレジスト１０２に対して第１回目の露光を行う。
【００１０】
次に、図１１（ｃ）に示すように、白色フィルタを形成する部分以外を第２のマスク１０３で被覆して、第１回目の露光量の８０％程度の露光量で、黄色染料含有ポジ型フォトレジスト１０２に対して第２回目の露光を行う。
【００１１】
次に、図１１（ｄ）に示すように、一括現像と熱硬化処理を行い、露光部分を除去する。これによって、非露光領域に黄色染料含有ポジ型フォトレジスト１０２から成る黄色フィルタ１０５が形成され、第２回目の不完全な露光を行った領域に、黄色染料含有ポジ型フォトレジスト１０２から成り、黄色フィルタ１０５の２０％程度の厚さをもつ白色フィルタ１０６が形成される。
【００１２】
続いて、シアン色染料含有ポジ型フォトレジストを用いて、上記と同様、レジストの塗布、パターン露光、現像と熱硬化処理の工程を行い、シアン色フィルタ１０７を形成する。さらに、緑色染料含有ポジ型フォトレジストを用いて同様の工程を行い、緑色フィルタ１０８を形成する。
【００１３】
以上のようにして各色のカラーフィルタを順次形成し、図１１（ｅ）に示すように、黄色フィルタ１０５、白色フィルタ１０６、シアン色フィルタ１０７、および緑色フィルタ１０８を所定の色配列で配置した多色カラーフィルタ１０９を形成する。
【００１４】
上述したように、染料含有フォトレジストは、バインダー樹脂と感光剤と熱硬化剤とから成るフォトレジストに、カラーフィルタ特性付与のための染料を混合して形成する。通常の一般的なフォトレジストは、特別な場合を除き、このような染料を含まない(ただし、露光光の反射防止の目的で、露光光吸収染料を添加するものはある)。
【００１５】
具体的には、染料含有フォトレジストは、１０％程度以上の染料を固形分中に含んでいる。染料は、固体撮像素子における分光特性を実現するためのものであるが、フォトレジストとして機能しない色素であり、フォトレジスト成分中の色素の比率が多くなりすぎると、染料を含まないフォトレジストに比べてレジスト機能が悪化する。従って、良好なカラーフィルタの分光特性を確保しつつ、レジスト機能との両立をはかることが必要になる。また、公知のフォトリソグラフィ法による露光および現像処理によっても、カラーフィルタ並びにレジスト機能に障害をきたす場合がある。例えば、露光に用いる光(ｇ線、i線、エキシマレーザー光など)が、添加された色素によって吸収されてしまう場合や、現像処理によるフォトレジストの膜減りや色素の溶解などによって、レジスト形状やカラーフィルタ特性が影響を受ける場合などである。これらの場合には、フォトリソグラフィにおける露光と現像処理によってパターニングする際、カラーフィルタの側面を下地に対して垂直に近い形状で形成することが困難になることがある。
【００１６】
図１２は、特許文献１などに開示されている従来のカラーフィルタの形成方法の問題点を説明するためのＣＣＤ固体撮像素子１１０の模式的な断面図である。ＣＣＤ固体撮像素子１１０では、シリコン基板１１１の各単位セル領域の中心部にフォトセンサ部１１３が形成され、その側方上部に信号電荷の垂直転送部を構成する第１ゲート電極１１４が形成され、それらの上部に、平坦化膜１１５を介して、例えば、緑色の画素カラーフィルタ１１６ａ、青色の画素カラーフィルタ１１６ｂおよび赤色の画素カラーフィルタ１１６ｃと、マイクロレンズ１１７とが設けられている。
【００１７】
図１２に示すように、ＣＣＤ固体撮像素子１１０では、カラーフィルタ１１６ａ〜１１６ｃを成形したり区画したりする手段が設けられていないので、矩形あるいは矩形に近い形状の断面形状をもつカラーフィルタを形成することができない。例えば、カラーフィルタの断面形状が台形または逆台形になると、カラーフィルタの厚さが均一でなくなるとともに、カラーフィルタ間の境界が曖昧になる。このようなカラーフィルタの形状悪化によって、各カラーフィルタ１１６ａ〜１１６ｃの分光特性が悪化するとともに、隣り合うカラーフィルタの重なりによる混色が生じる。これは、固体撮像素子の単位画素が２．５μｍ以下に微細化するにともない、特に深刻な問題となっている。
【００１８】
図１３は、従来のカラーフィルタの断面形状の一例を示す顕微鏡写真（ａ）と、分光特性の一例を示すグラフ（ｂ）とである。図１３（ａ）に示すように、カラーフィルタの断面形状は、１辺の長さＬが２．５μｍである場合には、ほぼ、比較的矩形に近い台形であるが、１辺の長さＬが２．２μｍである場合には、上面の平坦性が失われ、台形とさえ言えない形状に悪化している。これに対応して、図１３（ｂ）の透過率の波長依存性を示すグラフでは、Ｌが２．２μｍのカラーフィルタでは、Ｌが２．５μｍのカラーフィルタに比べ、両方向矢印で示すように、透過領域の波長幅が広がり、かつ、片方向矢印で示すように、本来の吸収領域である左右の波長領域における透過率の低下が不十分であり、色再現性に関わる色純度や色分離性能などの分光特性が劣化していることがわかる。
【００１９】
一方、固体撮像素子の小型化と単位画素の高密度化にともない、単位画素の受光エリアが減少し、固体撮像素子の感度が低下するという問題もある。この対策として、近年の固体撮像素子では、カラーフィルタの光入射側に単位画素ごとにマイクロレンズを設け、入射光をフォトセンサ部に集光する構成が用いられている。この際、マイクロレンズの形成工程は、レンズ形状の下地依存性が強いため、カラーフィルタの上部形状が平坦でないと、マイクロレンズ形状のばらつきが大きくなり、均一な感度を確保することが難しくなるいという問題がある。
【００２０】
そこで、後述の特許文献２には、固体撮像素子のフォトセンサ部のメタル遮光膜の上部にメタル薄膜を格子状に設け、単位セル（単位画素）領域を枡形に区画し、このメタル薄膜で区画された単位セル領域ごとにカラーフィルタとマイクロレンズとを形成することで、高感度化を実現し、感度むらや画像むらを低減する固体撮像素子が提案されている。
【００２１】
図１４は、特許文献２に開示されているＣＣＤ固体撮像素子１２０の構造を示す断面図である。
【００２２】
ＣＣＤ固体撮像素子１２０では、シリコン基板１２１の上面にゲート絶縁膜１２２が形成され、その下部のシリコン基板１２１中には、図１４の中央部に、図示省略したｐｎ接合からなるフォトセンサ部１２３が形成され、フォトセンサ部１２３の側部に、図示省略した垂直転送部のｎ型領域が形成されている。
【００２３】
ゲート絶縁膜１２２の上には、垂直転送部のｎ型領域の上方に第１ゲート電極１２４がパターニングして形成され、第１ゲート電極１２４の表面は絶縁膜１２５で被覆されている。フォトセンサ部１２３および第１ゲート電極１２４の上にはＰＳＧ（リンガラス）などのリフロー膜１２６が形成され、その上にフォトセンサ部１２３の上部の領域を開口して、第１ゲート電極１２４を覆うように遮光メタル膜１２７（フォトシールド）が形成され、さらに全面にプラズマＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition；化学気相成長法）による窒化シリコン膜などのパッシベーション膜１２８が形成されている。
【００２４】
そして遮光メタル膜１２７の上には、シリコン基板１２１に垂直に立ち上がるように、メタル薄膜１３１が格子状に形成されている。メタル薄膜１３１はフォトセンサ部１２３を中心とする単位セル領域を枡形に取り囲み、その内側がセグメントに区画された受光部領域となる。この受光部領域にはカラーフィルタ層１３２が形成され、その上にはマイクロレンズ１３３が形成されている。このように、カラーフィルタ層１３２とマイクロレンズ１３３は、区画された受光部領域ごとに独立して配設されている。
【００２５】
以下、特許文献２に従い、ＣＣＤ固体撮像素子１２０の製造方法を説明する。
【００２６】
まず、シリコン基板１２１にイオン注入法などで所望の不純物拡散層を形成させた後、熱酸化法やＣＶＤ法によりゲート絶縁膜１２２を形成する。次に、第１ゲート電極１２４をＣＶＤ法により堆積させ、フォトリソグラフィとドライエッチングなどにより所定の形状にパターニングする。次に、第１ゲート電極１２４を酸化法またはＣＶＤ法などにより絶縁膜で被覆した後、図示省略した第２ゲート電極５の形成と加工を行う。３層以上の電極構造の場合はこれを繰り返す。次に、これらの電極構造の上に酸化法またはＣＶＤ法により絶縁膜１２５形成する。
【００２７】
次に、フォトセンサ部１２３上方のゲート絶縁膜１２２および第１ゲート電極１２４の上にＰＳＧなどのリフロー膜１２６を形成し、その上には、フォトセンサ部１２３の上方の領域を開口しつつ第１ゲート電極１２４を覆うように、遮光メタル膜１２７（フォトシールド）を形成し、さらに全面にプラズマＣＶＤ法による窒化シリコン膜などのパッシベーション膜１２８を積層して形成する。なお、このパッシベーション膜１２８は、次の工程で平坦化膜として形成する酸化シリコン系膜の除去エッチャント（例えばフッ化水素系薬液）に対し、ストッパになりうる膜を選択することが望ましい。
【００２８】
次に、ＳＯＧ（スピンオンガラス）などの塗布法による樹脂膜や、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を用いたＣＶＤ法による酸化シリコン膜またはＢＰＳＧ（ボロンリンガラス）膜や、バイアス高密度プラズマＣＶＤ法による酸化シリコン系膜などによって平坦化膜を形成し、エッチバックやＣＭＰ（化学的機械研磨法）などで表面の平坦化加工を行う。
【００２９】
次に、上記平坦化膜の単位画素領域間の境界部に、幅１μｍ以下の格子状の溝をフォトリソグラフィとドライエッチングにより形成する。その後、高圧リフローなどの高アスペクト比埋め込み性向上手法を用いて、ＣＶＤ法またはスパッタ法によりメタル薄膜１３１を溝部に埋め込んだ後、エッチバックやＣＭＰなどで平坦化膜上のメタル薄膜を除去し、溝部に埋め込んだメタル薄膜１３１のみを残す。なお、メタル薄膜１３１の材料は高反射率のアルミニウムなどが最適である。
【００３０】
次に、フッ化水素系薬液などのエッチャントを用いて酸化シリコン系膜などからなる上記平坦化膜を選択的に除去し、メタル薄膜１３１によって枡形形状に取り囲まれた受光部領域を露出させる。
【００３１】
次に、複数色の画素カラーフィルタ層１３２を所定の繰り返し色配列で配置した多色カラーフィルタを形成する。この際、まず、染色法や染料含有フォトレジストの塗布により、複数色のうちの１つの色の画素カラーフィルタ層１３２をすべての単位画素の受光部領域に形成し、続いてフォトリソグラフィとエッチングによってメタル薄膜１３１を境界にしてパターニングし、所定の繰り返し色配列で決まる所定の画素位置の画素カラーフィルタ層１３２のみを残す。この工程を複数色の色数だけ繰り返し、複数色の画素カラーフィルタ層１３２を所定の繰り返し色配列で配置した多色カラーフィルタを形成する。
【００３２】
最後に、各画素カラーフィルタ層１３２の上にマイクロレンズ１３３を熱溶融性透明樹脂などにより形成する。
【００３３】
上述したＣＣＤ固体撮像素子１２０によれば、画素カラーフィルタ層１３２がメタル薄膜１３１を境界にして単位セルごとに区画され、受光部領域に入射した光のうち、メタル薄膜１３１に達した光は反射され、中心部のフォトセンサ部１２３の方へ導かれるので集光効率が向上し、撮像感度が改善される。さらに隣接単位セルへ透過して行く光がなくなることで混色成分がなくなり、色むらが減少する。
【００３４】
また、画素カラーフィルタ１３２は、メタル薄膜１３１に密着するように形成され、メタル薄膜１３１の内壁面に沿う形に成形されるので、画素カラーフィルタ層１３２の形状悪化が防止され、カラーフィルタの形状悪化による分光特性悪化の問題も解消される。
【００３５】
さらに、メタル薄膜１３１によって区画された画素カラーフィルタ層１３２の上にマイクロレンズ１３３が形成されるので、マイクロレンズ１３３の下地形状が安定し、この結果、マイクロレンズ１３３の形状も安定して、画素ごとの感度のばらつきが減少する。
【００３６】
【特許文献１】特開２００１−１４４２７７(第３頁、図４及び５)
【特許文献２】特開平１０−１６３４６２(第２及び３頁、図１)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
特許文献２の方法では、染色法と染料含有フォトレジスト法とのいずれで形成するにしても、メタル薄膜１３１を境界として画素カラーフィルタ層１３２をパターニングするリソグラフィ工程が必要であり、リソグラフィ工程におけるマスク位置をメタル薄膜１３１の位置に正確に位置合わせしなければならない。
【００３８】
マスクの位置ずれが生じると、メタル薄膜１３１と画素カラーフィルタ層１３２との間に隙間が生じ、画素カラーフィルタ層１３２の形状をメタル薄膜１３１によって成形することができず、画素カラーフィルタ層１３２の形状悪化による分光特性悪化の問題を解消することができなくなる。
【００３９】
また、露光時にメタル薄膜１３１に照射された光が、メタル薄膜１３１の側壁で反射または散乱され、非露光領域の染料含有フォトレジストに入射することによってパターンくずれが生じ、画素カラーフィルタ層１３２の分光特性が悪化することも懸念される。
【００４０】
上記のように、特許文献２の方法では、リソグラフィによって画素カラーフィルタ層１３２をパターニングする際の精度の低下が、固体撮像素子の性能低下や製造歩留まりの悪化に直結する。しかしながら、固体撮像素子の画素数が増大し、単位セル（単位画素）が微小化するほどに、上記マスクの位置合わせをすべての単位セルに対し正確に行うことは困難になる。
【００４１】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、光電変換部または光変調部の光入射側又は光出射側に光フィルタを備えた光学装置であって、単位セルが微小化しても形状悪化とそれに起因する分光特性の悪化が生じにくく、生産性や歩留まりよく製造できる光フィルタを備えた光学装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４２】
即ち、本発明は、光電変換部又は光変調部の光入射側又は光出射側に光フィルタを備えた光学装置であって、前記光フィルタが、
前記光電変換部又は光変調部の光入射側又は光出射側の単位セル領域に対応したフィ  ルタ部を互いに分離する区画体と、
前記区画体で囲まれた領域内に配され、リフローによって前記区画体に密着している  フィルタ材からなる前記フィルタ部と
を有する、第１の光フィルタ付き光学装置に係わり、また、光電変換部又は光変調部の光入射側又は光出射側に光フィルタを備えた光学装置であって、前記光フィルタが、
前記光電変換部又は光変調部の光入射側又は光出射側の単位セル領域に対応したフィ  ルタ部を互いに分離する区画体と、
前記区画体で囲まれた領域内に配され、化学増幅作用によって前記区画体に密着硬化  しているネガ型の化学増幅型フォトレジストからなる前記フィルタ部と
を有する、第２の光フィルタ付き光学装置に係わるものである。
【００４３】
また、前記第１の光フィルタ付き光学装置の製造方法であって、
前記光電変換部又は光変調部の光入射側又は光出射側の単位セル領域を互いに分離す  る区画体を形成する工程と、
前記区画体で囲まれた領域内に前記フィルタ材を設ける工程と、
前記フィルタ材を所定温度に加熱してリフローさせる工程と
を有する、第１の光フィルタ付き光学装置の製造方法に係わり、また、前記第２の光フィルタ付き光学装置の製造方法であって、
前記光電変換部又は光変調部の光入射側又は光出射側の単位セル領域を互いに分離す  る区画体を形成する工程と、
少なくとも前記区画体で囲まれた受光部領域の全面にネガ型の化学増幅型染料含有フ  ォトレジストを設ける工程と、
前記区画体よりも内側に存在する前記化学増幅型フォトレジストを露光する工程と、
加熱処理によって、露光された前記化学増幅型フォトレジストと前記区画体との間に  存在する未露光の前記化学増幅型フォトレジストを不溶化する工程と
を有する、第２の光フィルタ付き光学装置の製造方法に係わるものである。
【発明の効果】
【００４４】
本発明の第１の光フィルタ付き光学装置では、前記単位セル領域に対応した前記フィルタ部において、前記フィルタ部を互いに分離する前記区画体に対し、前記フィルタ材がリフローによって密着している。本発明の第２の光フィルタ付き光学装置では、前記単位セル領域に対応した前記フィルタ部において、前記フィルタ部を互いに分離する前記区画体に対し、前記ネガ型の化学増幅型フォトレジストが化学増幅作用によって密着硬化している。いずれの場合も、前記フィルタ部は前記区画体の内壁面に沿う形、例えば、矩形又はほぼ矩形に成形されているので、前記フィルタ部の形状悪化に起因する分光特性悪化などの不都合が防止される。
【００４５】
また、本発明の第１の光フィルタ付き光学装置の製造方法は、前記区画体で囲まれた領域内に前記フィルタ材を設ける工程と、前記フィルタ材を所定温度に加熱してリフローさせる工程を有する。この製造方法では、リフローした前記フィルタ材が流動性のある状態で前記区画体に密着し、この密着した状態で固化して前記フィルタ部が形成されるので、前記フィルタ部は前記区画体を型にしてその内壁に沿う形に自動的に成形される。従って、前記区画体で囲まれた領域内に前記フィルタ材を設ける工程においては、前記フィルタ材を正確にパターニングする必要がない。
【００４６】
また、本発明の第２の光フィルタ付き光学装置の製造方法は、少なくとも前記区画体で囲まれた受光部領域の全面にネガ型の化学増幅型染料含有フォトレジストを設ける工程と、前記区画体よりも内側に存在する前記化学増幅型フォトレジストを露光する工程と、露光後の加熱処理によって、露光された前記化学増幅型フォトレジストと前記区画体との間に存在する未露光の前記化学増幅型フォトレジストを不溶化する工程を有する。この製造方法では、未露光の前記化学増幅型フォトレジストが流動性のある状態で前記区画体に密着し、この密着した状態で前記区画体に囲まれた前記化学増幅型染料含有フォトレジスト全体が不溶化して、前記フィルタ部が形成されるので、前記フィルタ部は前記区画体を型にしてその内壁に沿う形に自動的に成形される。この際、フィルタ材として前記ネガ型の化学増幅型染料含有フォトレジストを用い、露光された前記化学増幅型フォトレジストと前記区画体との間に存在する未露光の前記化学増幅型フォトレジストを露光後の加熱処理によって不溶化する工程を有するので、前記化学増幅型フォトレジストを露光する工程においては、前記区画体の位置と形状に正確に合わせて前記化学増幅型フォトレジストを露光する必要がない。
【００４７】
上記のように、前記第１および前記第２の光フィルタ付き光学装置の製造方法は、フォトリソグラフィによって前記フィルタ部を前記区画体に合わせて正確にパターニングする工程が不要であるため、単位セルが微小化しても前記フィルタ部の形状悪化が生じにくい。また、さほど露光精度を必要としない工程で前記光フィルタを形成することができ、その結果、前記第１および前記第２の光フィルタ付き光学装置をそれぞれ、生産性よく、製造歩留まりよく、低コストで製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
本発明の第１の光フィルタ付き光学装置及びその製造方法において、前記区画体が前記リフローによって変形しない材料からなるのがよい。
【００４９】
また、前記フィルタ材は、特に限定されるものではないが、リソグラフィとエッチングとによってパターニングして配置することができることから、染料含有フォトレジストを用いるのがよい。あるいは、前記フィルタ材として印刷法で配置できる材料を用い、インクジェット法などの印刷法で配置するのもよい。
【００５０】
また、前記染料含有フォトレジストを塗布した後、リソグラフィ及びエッチングによってパターニングして配置する際、前記区画体の内壁面から離れた位置に外側面が存在するように前記フィルタ材をパターニングするのがよい。このようにすると、位置ずれに対する十分なマージンをもって前記フィルタ材をパターニングすることができ、誤って隣接する前記単位セル領域をパターニングしたり、隣接する前記単位セル領域に照射光の散乱などによる悪影響を与えたりすることを避けることができる。
【００５１】
本発明の第２の光フィルタ付き光学装置の製造方法において、所定の単位セル領域以外に存在する未露光の前記化学増幅型フォトレジストを除去するのがよい。これは、前記光フィルタが光透過特性が異なる複数種の前記フィルタ部によって構成されている場合に、必要になる工程である。この場合、まず、複数種のうちの１種のフィルタ部を所定の繰り返し配列で決まる所定の単位セル領域に形成し、所定の単位セル領域以外にはこのフィルタ部を形成しない。この工程を複数種の数だけ繰り返し、複数種の前記フィルタ部が所定の繰り返し配列で配置された前記光フィルタを形成する。
【００５２】
また、前記区画体の内壁面との接触領域を除いて前記化学増幅型フォトレジストを露光するのがよい。このようにすると、本発明の第１の光フィルタ付き光学装置の製造方法について前述したと同様に、位置ずれに対する十分なマージンをもって前記フィルタ材をパターニングすることができ、誤って隣接する前記単位セル領域を境界としてパターニングしたり、隣接する前記単位セル領域に照射光の散乱などによる悪影響を与えたりすることを避けることができる。
【００５３】
本発明において、前記光フィルタが、光透過特性が異なる複数種の前記フィルタ部によって構成されているのがよい。また、前記光フィルタが、透過波長特性の異なる多色カラーフィルタとして構成されているのがよい。前記光フィルタは、単色の濃淡フィルタであっても、多色のカラーフィルタであってもよい。
【００５４】
また、前記区画体が枠状パターンの壁部として形成されているのがよい。前記区画体の形状は特に限定されるものではないが、形成しやすい形状がよい。
【００５５】
また、前記区画体が、前記フィルタ材よりも屈折率の小さい材料からなるのがよい。例えば、前記区画体が多孔質シリカからなるのがよい。このようにすると、屈折率の大きい前記フィルタ部が、屈折率の小さい前記区画体に取り囲まれている構造が形成され、これは、光導波路において屈折率の大きいコアが、屈折率の小さいクラッドに取り囲まれているのと類似した構造である。この結果、屈折率の大きい前記フィルタ部から漏れ出そうとする光は、屈折率の小さい前記区画体に入射することになり、反射されて前記フィルタ部へ戻されやすくなり、光の漏れ出しが抑えられる。このようにして、本発明の光学装置が受光装置である場合には、前記単位セルの受光部領域に入射した光のうち、前記区画体に達した光が、反射されて中心部のフォトセンサ部の方へ導かれやすくなるので、集光効率が向上し、撮像感度が改善される。さらに隣接する単位セルへ透過して行く光が減少することで、混色成分が減少し、色むらが減少する。また、本発明の光学装置が発光装置である場合には、発光部から出射された光のうち、前記区画体に達した光は反射され、光出射側へ導かれるので光の出射効率が向上し、輝度が向上する。
【００５６】
また、前記区画体の側面に光反射層が設けられているのがよい。このようにすると、本発明の光学装置が受光装置である場合には、前記単位セルの受光部領域に入射した光のうち、前記区画体に達した光は反射され、中心部のフォトセンサ部の方へ導かれるので集光効率が向上し、撮像感度が改善される。さらに隣接する単位セルへ透過して行く光がなくなることで混色成分がなくなり、色むらが減少するなど、分光カラー特性が向上する。また、本発明の光学装置が発光装置である場合には、発光部から出射された光のうち、前記区画体に達した光は反射され、光出射側へ導かれるので光の出射効率が向上し、輝度が改善される。
【００５７】
また、前記単位セル領域において、前記光フィルタの下地として、前記光電変換部又は光変調部との間の光透過領域に高屈折率材料層が配置され、この高屈折率材料層の周囲に低屈折率材料層が配置されているのがよい。この際、例えば、前記高屈折率材料層が窒化シリコンからなり、前記低屈折率材料層が多孔質シリカからなるのがよい。このようにすると、前記光フィルタの下地領域における光透過領域においても、前述した前記光フィルタ領域におけると同様の光導波路に類似した構造を実現することができる。この結果、本発明の光学装置が受光装置である場合には、前記単位セルの受光部領域に入射した光のうち、前記区画体に達した光が、反射されて中心部のフォトセンサ部の方へ導かれやすくなるので、集光効率が向上し、撮像感度が改善される。さらに隣接する単位セルへ透過して行く光が減少することで、混色成分が減少し、色むらが減少するなど、分光カラー特性が向上する。また、本発明の光学装置が発光装置である場合には、発光部から出射された光のうち、前記区画体に達した光は反射され、光出射側へ導かれるので光の出射効率が向上し、輝度が向上する。
【００５８】
また、前記下地と前記光フィルタとの間に、前記区画体をエッチング加工する際のストッパ層が形成されているのがよい。
【００５９】
また、前記フィルタ部の光入射側又は光出射側に前記単位セルごとにマイクロレンズが設けられているのがよい。これにより、前記区画体によって区画された前記フィルタ部の上にマイクロレンズが形成されるので、マイクロレンズの下地形状が安定し、この結果、マイクロレンズの形状も安定し、単位セルごとのばらつきが減少する。
【００６０】
また、前記光フィルタ付き光学装置を固体撮像素子として構成し、これを製造するのがよい。本発明が最も有効に適用されるのは、小型化と単位セル（単位画素）の高密度化が最も進んでいるＣＣＤやＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子などである。また、前記光変調部を有する表示装置である液晶表示装置（ＬＣＤ）などに応用するのもよい。
【００６１】
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的かつ詳細に説明する。
【００６２】
実施の形態１
実施の形態１は、主として請求項１〜３および１６〜１９に対応するものである。すなわち、実施の形態１は、本発明の第１の光フィルタを備えた光学装置の例としての、前記染料含有フォトレジストからなる前記光フィルタを備えたＣＣＤ固体撮像素子、およびその製造方法に係わり、前記光フィルタを構成する前記光フィルタ部を前記染料含有フォトレジストのリフローによって形成する。
【００６３】
リフローさせる染料含有フォトレジストは、レジスト固形分として、染料、樹脂、熱硬化剤、感光剤、添加剤(例えば、界面活性剤などのストリエーション防止剤等)を含み、スピンコートによる成膜の目的で、有機溶媒にこれらの固形分を溶解した材料である。リフローさせる温度は、１３０℃〜２４０℃が好適である。又、リフロー補助剤などは特に必要とせず、前述した固形分で構成されるレジスト膜の熱軟化点以上の温度でリフローさせる。
【００６４】
図１と２は、実施の形態１に基づくＣＣＤ固体撮像素子２０の構造を示す説明図である。図２はＣＣＤ固体撮像素子２０の上面図であり、図１は、図２にＡ−Ａ線で示した位置におけるＣＣＤ固体撮像素子２０の断面図である。
【００６５】
図１に示すように、ＣＣＤ固体撮像素子２０では、シリコン基板１の上面にゲート絶縁膜２が形成され、その下部のシリコン基板１中には、図１の中央部に示すｐｎ接合からなるフォトセンサ部３が形成され、そのフォトセンサ部３の側部に信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部のｎ型領域４が形成されている。また、シリコン基板１の下部には、オーバーフロードレイン領域５が形成されている。
【００６６】
ゲート絶縁膜２の上には、垂直転送部のｎ型領域４の上方に第１ゲート電極（垂直転送電極）６がパターニングして形成され、第１ゲート電極６の表面は絶縁膜８で被覆されている。さらに、図２に示すように、第１ゲート電極６に一部が重なるように第２ゲート電極７が形成され、その表面も絶縁膜８で被覆されている。第１ゲート電極６および第２ゲート電極７は、垂直転送部９を構成する電極である。垂直転送部９が３層以上の電極構造を有する場合にはその数だけ、上記と同様のゲート電極が設けられる。
【００６７】
図３は、シリコン基板１のより詳細な断面図（ａ）と、信号電荷の流れを示すポテンシャル図（ｂ）とである。なお、ポテンシャル図は、断面図に示した水平方向のＯ−Ａ線上および基板深さ方向のＯ−Ｂ線上における電子のポテンシャルエネルギーを示している。受光時にフォトセンサ部３に蓄積された信号電荷（電子）は、第１ゲート電極６に印加される読み出し電圧によって、垂直転送部のｎ型領域４へ引き出され、この後、図２に示した垂直転送部９を垂直方向に転送され、さらに図示省略した水平転送部を水平方向に転送された後、図示省略した増幅器をへて出力される。また、フォトセンサ部３に蓄積された信号電荷が過剰になると、過剰な信号電荷はオーバーフロードレイン領域へ流出するように構成されている。
【００６８】
図１に示すように、第１ゲート電極６などのゲート電極の上には、フォトセンサ部３の上方の領域を開口しつつ第１ゲート電極６などのゲート電極を覆うように、タングステンなどからなる遮光膜１０が形成されている。フォトセンサ部３上方のゲート絶縁膜２と遮光膜１０との上には、ＢＰＳＧ（ボロンリンガラス）などからなるリフロー膜１１が形成され、そのリフロー膜１１の上部には、プラズマＣＶＤ法によって形成された窒化シリコン膜１２が形成されて、画素カラーフィルタ層１５の下地を形成している。
【００６９】
そして窒化シリコン膜１２の上部には、シリコン基板１に垂直に立ち上がるように、区画体１３が格子状に形成されている。区画体１３は、フォトセンサ部３を中心とする単位セル（単位画素）領域を枡形に取り囲み、その内側がセグメントに区画された受光部領域１４となる。この受光部領域１４には前記フィルタ部である画素カラーフィルタ層１５が形成され、その上には平坦化膜１６を介して各単位セルに対応したマイクロレンズ１７が形成されている。
【００７０】
上記のように、画素カラーフィルタ層１５は、区画された受光部領域１４ごとに独立して配設される。画素カラーフィルタ層１５は、混合する染料の選択によって、例えば、緑色フィルタ、赤色フィルタ、青色フィルタ、黄色フィルタ、シアン色フィルタ、およびマゼンタ色フィルタなどが形成され、所定の繰り返し色配列で配置されて、画素カラーフィルタ層１５のアレイからなる多色カラーフィルタが前記光フィルタとして形成されている。
【００７１】
図４〜６は、実施の形態１に基づくＣＣＤ固体撮像素子の多色カラーフィルタおよびマイクロレンズの製造方法を示すフロー図である。なお、図４〜６においてシリコン基板１は図示省略し、フォトセンサ部３の位置のみを示す（以下、同様。）。図４（ａ）は、ＣＣＤ固体撮像素子２０の作製工程において、公知の方法により窒化シリコン膜１２を成膜した状態を示し、以下、この状態から始めて多色カラーフィルタおよびマイクロレンズを作製する工程を説明する。
【００７２】
初めに、図４（ｂ）〜（ｄ）に示す工程によって区画体１３を形成する。
【００７３】
まず、図４（ｂ）に示すように、後の工程で格子状の区画体１３に成形される区画材層２１を形成する。区画体１３の材料としては、後の工程で行う染料含有フィルタ材２７のリフロー工程における加熱温度において、実質的に変形や変質を起こさない材料であれば何でもよく、有機材料であるか、無機材料であるかを問わず、用いることができる。
【００７４】
例えば、区画体１３を有機膜で形成するのであれば、アクリル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリイミド系樹脂、有機ＳＯＧ系樹脂などを窒化シリコン膜１２の上に塗布した後、熱硬化などを行い、成膜する。また、無機膜で形成するのであれば、ＣＶＤ法によって多結晶シリコン膜を形成したり、プラズマＣＶＤ法によって酸化シリコン膜を形成したり、プラズマＣＶＤ法によって窒化シリコン膜を形成したり、スパッタリング法あるいはＣＶＤ法でタングステンやアルミニウムなどの金属膜を形成する。これから後の工程は、ＣＶＤ法によって形成された多結晶シリコン膜を用いて区画体１３を形成する場合を想定して、説明する。
【００７５】
次に、図４（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィにより、区画体１３の配置位置に対応するレジストパターン２２を形成する。
【００７６】
次に、図４（ｄ）に示すように、レジストパターン２２をマスクとして、多結晶シリコン膜からなる区画材層２１をドライエッチングし、格子状にパターニングされた区画体１３を形成する。これにより、各単位セル領域に、区画体１３によって枡形形状に取り囲まれた受光部領域１４が形成される。
【００７７】
続いて、図５（ｅ）〜図６（ｉ）に示す工程によって、複数色の画素カラーフィルタ層１５を所定の繰り返し色配列で各受光部領域１４に形成し、多色カラーフィルタを形成する。この際、まず、複数色のうちの１つの色の画素カラーフィルタ層１５を、所定の繰り返し色配列で決まる所定の画素位置の受光部領域１４に形成する。この工程を複数色の色数だけ繰り返し、複数色の画素カラーフィルタ層１５を所定の繰り返し色配列で配置した多色カラーフィルタを形成する。
【００７８】
まず、図５（ｅ）に示すように、塗布法などによって、複数色のうちの１つの色、例えば緑色の染料含有フォトレジスト層２３を全面に形成する。
【００７９】
次に、図５（ｆ）に示すように、マスク２４を用いて、緑色の画素カラーフィルタ層１５ａを設ける単位セル２５以外の染料含有フォトレジスト層２３を露光する。この際、特許文献２の方法のように区画体１３を境界として露光するのではなく、単位セル２５の受光部領域に露光領域２７が少し入り込むように露光する。すなわち、マスク２４の外周部の水平方向位置が、単位セル２５における区画体１３の内壁面より内側になるようにして露光する。このようにすると、位置ずれに対する十分なマージンをもって染料含有フォトレジスト層２３を区画体１３の内側にパターニングすることができ、誤って隣接する単位セル領域を境界としてパターニングすることを避けることができる。
【００８０】
次に、図５（ｇ）に示すように、現像処理によって露光領域２７の染料含有フォトレジスト２３を除去する。次に、このようにして単位セル２５の受光部領域に配置された染料含有フォトレジスト層２８中に含まれる感光剤（キノンジアジド系化合物）を分解して光吸収能を失活させるために、紫外線を用いて露光処理（ブリーチング露光）を行う。
【００８１】
次に、図５（ｈ）に示すように、染料含有フォトレジスト２８を軟化点より高い温度に加熱して熱リフローさせ、受光領域全面に展開させる。流動性をもった染料含有フォトレジストは窒化シリコン膜１２および区画体１３に密着し、その状態で固化することによって、区画体１３を型にして、その内壁面に沿う形状、例えば断面が矩形の直方体状に自動的に成形され、緑色の画素カラーフィルタ層１５ａが形成される。
【００８２】
上記のように、図５（ｇ）に示したリフロー前の染料含有フォトレジスト２８は、区画体１３で囲まれた領域内にあれば十分であって、正確にパターニングされている必要はない。従って、インクジェット法などの印刷法によって染料含有フォトレジストを配置することもできる。また、ここではフォトレジストがポジ型である場合を説明したが、ネガ型であってもよく、この場合は、図５（ｇ）において非露光領域２６と露光領域２７とを逆にすればよい。
【００８３】
次に、図６（ｉ）に示すように、緑色の画素カラーフィルタ層１５ａと同様に、例えば、青色の画素カラーフィルタ層１５ｂと赤色の画素カラーフィルタ層１５ｃを順次所定の繰り返し色配列に配置して形成する。この際、画素カラーフィルタ層１５ａ〜１５ｃの形成順は特に問わない。
【００８４】
次に、図６（ｊ）に示すように、複数の画素カラーフィルタ層１５がアレイ状に形成された上面にアクリル系熱硬化樹脂、あるいはアクリル系熱溶融樹脂から成る平坦化膜１６を塗布とその後の熱硬化によって形成する。
【００８５】
次に、図６（ｊ）に示すように、ポジ型フォトレジストから成る、マイクロレンズ材を塗布し、マイクロレンズ材層２９を形成する。
【００８６】
次に、図６（ｊ）に示すように、フォトリソグラフィとエッチングによってマイクロレンズ材層２９を現像してパターニングした後、紫外線を用いて、フォトレジスト中に含まれる感光剤の光吸収能を失活させる露光処理（ブリーチング露光）を行い、次に熱リフローによってマイクロレンズ形状に成形して、マイクロレンズ１７のアレイを得る。
【００８７】
図７は、実施の形態１の変形例に基づくＣＣＤ固体撮像素子を作製する工程の一部を示すフロー図である。この変形例は、主として請求項１０および２８に対応するもので、区画体１３の側面に前記光反射層として、例えば、アルミニュウム、タングステン、銀などの金属薄膜層１９を設けるものである。
【００８８】
図７（ａ）は、窒化シリコン膜１２の上に区画体１３が形成された、図４（ｄ）と同じ状態を示している。変形例では、この次に、図７（ｂ）に示すように、スパッタ法などにより全面に、例えば、アルミニウムやタングステンなどの金属薄膜１８を形成する。
【００８９】
次に、金属薄膜１８をエッチバックして除去し、図７（ｃ）に示すように、区画体１３の側面に形成された金属薄膜１９のみを残す。
【００９０】
区画体１３の側面に金属薄膜１９などの光反射層が設けられていると、単位セルの受光部領域１４の画素カラーフィルタ層１５に入射した光のうち、区画体１３に達した光は反射され、中心部のフォトセンサ部３の方へ導かれるので集光効率が向上し、撮像感度が改善される。さらに隣接する単位セルへ透過して行く光がなくなることで混色成分がなくなり、色むらが減少する。当然のことながら、区画体１３が多結晶シリコン以外の材料からなる場合でも、金属薄膜１９などの光反射層を効果的に設けることが可能である。
【００９１】
以上に述べたように、本実施の形態によれば、前記フィルタ部である画素カラーフィルタ１５が区画体１３によって単位セルごとに分離され、枡形の区画体１３の内壁面に沿う形、矩形又はほぼ矩形に成形されているので、ＣＣＤ固体撮像素子の画素数が増加して単位セルが微小化しても、フィルタ部の形状悪化とそれに起因する分光特性悪化などの不都合が生じにくい。また、画素カラーフィルタ１５の形状が均一になり、単位セルごとの光学特性のばらつきが減少する。
【００９２】
また、画素カラーフィルタ１５の成形は、リフローした染料含有フォトレジストが区画体１３の枡形に密着することによってセルフアライメントで行われるので、フォトリソグラフィによって区画体１３に合わせて正確に画素カラーフィルタ１５をパターニングする工程が不要であるため、さほど露光精度を必要としない工程で、生産性よく、製造歩留まりよく、低コストでＣＣＤ固体撮像素子を製造することができる。これに対し、特許文献２の方法では、すべての単位セルにおいて区画体１３を境界として正確にパターニング露光する必要があり、画素数が百万ピクセルに達するＣＣＤ固体撮像素子において実行することは実際上不可能である。
【００９３】
また、フィルタ材として染料含有フォトレジストを用いているので、リソグラフィとエッチングとによって、容易にフィルタ材を所定の単位セル領域に配置することができる。
【００９４】
また、透過波長特性の異なる画素カラーフィルタ１５によって容易に多色カラーフィルタを構成することができ、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色に対応する画素カラーフィルタ１５ａ〜１５ｃを形成すれば、フルカラーのＣＣＤ固体撮像素子を得ることができる。
【００９５】
実施の形態２
実施の形態２は、主として請求項８と１１、および請求項２６と２９に対応し、光透過領域に高屈折率材料層を配置し、この高屈折率材料層の周囲に低屈折率材料層を配置することによって、屈折率の大きい光透過領域から漏れ出そうとする光を、高屈折率材料層と低屈折率材料層との境界で全反射させ、光透過領域からの光の漏れ出しを抑え、光を一定方向へ導く光導波路構造と同様の効果を有する構造を光透過領域に実現し、優れた感度特性、並びに分光カラー特性を有するＣＣＤ固体撮像素子を得るものである。
【００９６】
図８は、実施の形態２に基づくＣＣＤ固体撮像素子３０の構造を示す断面図である。なお、この断面図は、図１のＣＣＤ固体撮像素子２０の断面図に相当する位置における断面図である。ＣＣＤ固体撮像素子３０は、次の２つの部分の構造がＣＣＤ固体撮像素子２０と異なっている。
【００９７】
１つは、多色カラーフィルタにおいて、画素カラーフィルタ１５の間を区画分離している区画体３４が、多孔質シリカなどの低屈折率材料（ｎ＝１．１〜１．３程度）で形成されていることである。この屈折率は、画素カラーフィルタ１５を構成する染料含有フォトレジストの屈折率（およそｎ＝１．６程度）に比べはるかに小さい。このようにすると、屈折率の大きい画素カラーフィルタ１５が、屈折率の小さい区画体に取り囲まれている、光導波路に類似した構造が形成される。この結果、屈折率の大きい画素カラーフィルタ１５から漏れ出そうとする光は、屈折率の小さい区画体３４に入射することになり、反射されて画素カラーフィルタ１５へ戻されやすくなり、光の漏れ出しが抑えられる。
【００９８】
他の１つは、画素カラーフィルタ１５の下地領域である、画素カラーフィルタ１５とフォトセンサ３または遮光膜１０との間の領域にも、上記と同様の光導波路類似の構造が形成されていることである。
【００９９】
すなわち、この下地領域には、図１に示したＣＣＤ固体撮像素子２０では、リフロー膜１１と窒化シリコン膜１２とが、各単位セル間を分離せずに連続して設けられているのに対し、図８に示すＣＣＤ固体撮像素子３０では、高屈折率材料層である、プラズマＣＶＤ法による窒化シリコン膜３１（ｎ＝１．９〜２．０程度）のみが配置されている。さらに、その窒化シリコン膜３１を単位セルごとに分離するように、区画体３４と同様の機能を有する区画体３２が、低屈折率材料である多孔質シリカを用いて形成されている。
【０１００】
この結果、屈折率の大きい窒化シリコン膜３１からなる光透過領域から漏れ出そうとする光は、屈折率の小さい区画体３２に入射することになり、反射されて光透過領域へ戻されやすくなり、光の漏れ出しが抑えられる。
【０１０１】
このように、光透過方向に連続して２段に設けられた光導波路類似構造によって、画素カラーフィルタ１５に入射した光は、斜めに入射した光であっても効率よく、フォトセンサ３の方向に導かれる。この結果、ＣＣＤ固体撮像素子３０の感度特性が向上し、隣接する単位セル領域へ透過する光が減少するために、隣接単位セル間での混色が抑えられる。
【０１０２】
以下、上記の構造の作製工程を説明する。
【０１０３】
まず、遮光膜１０を形成した後、フォトセンサ３上方のゲート絶縁膜２および遮光膜１０の上に、プラズマＣＶＤ法によって窒化シリコン膜３１を成膜する。その後、表面をＣＭＰ法によって平坦化するか、あるいは、フォトレジストを全面に塗布した後、全面をエッチバックする方法によって実質的に平坦化する（特回２０００−１６４８３７号公報参照。）。これによって、画素カラーフィルタ１５からフォトセンサ３までの光透過領域に、高屈折率材料層である、プラズマＣＶＤ法による窒化シリコン膜３１（ｎ＝１．９〜２．０程度）のみを配置するようにすることができる。
【０１０４】
次に、窒化シリコン膜３１の上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィとエッチングとにより、区画体３２に対応した開口部を有する形状にパターニングする。次に、このフォトレジストをマスクとするドライエッチングにより、区画体３２に対応し遮光膜１０に達する深さの溝を窒化シリコン膜３１に形成する。次に、この溝を埋めるように、窒化シリコン膜３１の上に多孔質シリカ膜を形成する。多孔質シリカは、半導体用途として一般的に使用されているｌｏｗ ｋ材料であり、多孔質シリカを溶媒中に分散させた分散液を、公知のスピンコート法で塗布した後、熱硬化させて成膜する。その後、窒化シリコン膜３１の表面の位置まで全面にドライエッチングを行い、窒化シリコン３１の上の多孔質シリカを除去し、溝部に埋め込んだ多孔質シリカのみを残して、区画体３２を形成する。エッチバックの代わりに、窒化シリコン膜３１の表面の位置までＣＭＰ法によって研磨して平坦化してもよい。
【０１０５】
次に、区画体３２が形成された窒化シリコン膜３１の上部に平坦化膜３３を１００〜３００ｎｍ程度の厚さに形成する。平坦化膜３３は、区画体３４をドライエッチングによって形成する際のエッチングストッパーとして機能する。平坦化膜３３の材料は、多孔質シリカの耐熱温度以下の温度で成膜可能な材料、例えば、プラズマＣＶＤ法で形成される窒化シリコンなどがよい。
【０１０６】
次に、図４（ｂ）〜（ｄ）を用いて既述したと同様にして、区画体３４を形成する。まず、平坦化膜３３の上に多孔質シリカの溶液を塗布した後、熱硬化させ、後の工程で区画体３４に成形される区画材層を形成し、次に、この区画材層の上にフォトリソグラフィによって、区画体３４の配置位置に対応するレジストパターンを形成し、次に、このレジストパターンをマスクとして区画材層をドライエッチングして、多孔質シリカからなる区画体３４を形成する。
【０１０７】
この後は、全く同じであるので説明は省略するが、実施の形態１で図５（ｅ）〜図６（ｌ）を用いて説明したようにして、多色カラーフィルタとマイクロレンズを形成する。
【０１０８】
以上に述べたように、本実施の形態によれば、各単位セルの光透過領域に屈折率の異なる材料を用いて光導波路に類似した構造を形成することによって、撮像感度が改善され、混色成分が減少し、色むらが減少する。
【０１０９】
その他の点では実施の形態１と同じであるから、本実施の形態においても実施の形態と同様の作用効果が得られるのは言うまでもない。すなわち、画素カラーフィルタ１５が区画体３４によって単位セルごとに分離され、枡形の区画体３４の内壁面に沿う形、矩形又はほぼ矩形に成形されているので、ＣＣＤ固体撮像素子の画素数が増加して単位セルが微小化しても、フィルタ部の形状悪化とそれに起因する分光特性悪化などの不都合が生じにくい。また、画素カラーフィルタ１５の形状が均一になり、単位セルごとの光学特性のばらつきが減少する。
【０１１０】
また、画素カラーフィルタ１５の成形は、リフローした染料含有フォトレジストが区画体３４の枡形に密着することによってセルフアライメントで行われるので、フォトリソグラフィによって区画体３４に合わせて正確に画素カラーフィルタ１５をパターニングする工程が不要であるため、さほど露光精度を必要としない工程で、生産性よく、製造歩留まりよく、低コストでＣＣＤ固体撮像素子を製造することができる。これに対し、特許文献２の方法では、すべての単位セルにおいて区画体３４を境界として正確にパターニング露光する必要があり、画素数が百万ピクセルに達するＣＣＤ固体撮像素子において実行することは実際上不可能である。
【０１１１】
また、フィルタ材として染料含有フォトレジストを用いているので、リソグラフィとエッチングとによって、容易にフィルタ材を所定の単位セル領域に配置することができる。
【０１１２】
また、透過波長特性の異なる画素カラーフィルタ１５によって容易に多色カラーフィルタを構成することができ、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色に対応する画素カラーフィルタ１５ａ〜１５ｃを形成すれば、フルカラーのＣＣＤ固体撮像素子を得ることができる。
【０１１３】
実施の形態３
実施の形態３は、主として請求項４および２０に対応するものである。すなわち、実施の形態３は、本発明の第２の光フィルタを備えた光学装置の例としての、染料を含有した前記ネガ型の化学増幅型フォトレジストからなる前記光フィルタを備えたＣＣＤ固体撮像素子、およびその製造方法に係わるものである。
【０１１４】
本実施の形態は、実施の形態１と比べて、前記光フィルタを構成する前記光フィルタ部の成形を、染料含有フォトレジストのリフローではなく、染料を含有するネガ型の化学増幅型フォトレジストの露光とその後の加熱処理によって行う点のみが異なっている。以下、実施の形態１との相違点に重点をおいて説明する。
【０１１５】
ネガ型の化学増幅型フォトレジストは、例えば、アルカリ可溶性樹脂と酸発生剤（ＰＡＧ）と架橋剤と溶媒などの混合物である（例えば、特開２００３−１２１９９９参照。）。アルカリ可溶性樹脂としては、例えばノボラック樹脂やポリビニルフェノールなどが挙げられる。酸発生剤は、紫外光や電子線などの放射線を吸収すると酸（水素イオン）を生成する化合物で、例えば p-トルエンスルホン酸塩などのスルホネート化合物などが挙げられる。架橋剤は、酸の存在下でアルカリ可溶性樹脂を架橋し得る化合物で、例えばメチロール基含有メラミン化合物などのメラミン系化合物などを挙げることができる。
【０１１６】
この化学増幅型フォトレジストを紫外光などの放射線で露光すると、放射線を吸収した酸発生剤から酸（水素イオン）が生成し、酸の触媒作用などの影響によって付近のアルカリ可溶性樹脂が架橋剤によって架橋される。
【０１１７】
続いて、露光後の加熱（ＰＥＢ；Post Exposure Bake）を行うと、酸存在下での架橋反応が活性化され、露光領域が不溶化する。また、加熱された酸（水素イオン）が拡散することによって、露光領域に隣接する非露光領域にも架橋反応が進行する領域が形成される。この結果、ＰＥＢ加熱の加熱時間が長くなるとともに、不溶化領域が露光領域から非露光領域に向けて拡大する。
【０１１８】
図９と１０は、実施の形態３に基づくＣＣＤ固体撮像素子の作製工程の一部を示すフロー図である。図９（ａ）は、窒化シリコン膜１２の上に区画体１３が形成された、図４（ｄ）と同じ状態を示している。ここでは、この状態から始めて、図６（ｉ）に示した状態に相当する状態を形成するまでの工程を説明する。なお、図９と１０は、図１の断面図に相当する位置における断面図である。
【０１１９】
まず、図９（ｂ）に示すように、塗布法などによって、複数色のうちの１つの色、例えば緑色の染料を含有するネガ型の化学増幅型フォトレジスト層５１を全面に形成する。但し、その厚さは区画体１３の高さ以下とし、各受光部領域１４の化学増幅型フォトレジスト層５１が区画体１３によって分離されているようにする。
【０１２０】
次に、図９（ｃ）に示すように、マスク５２を用いて、緑色の画素カラーフィルタ層４１ａを設ける単位セル５３の化学増幅型フォトレジスト層５１を露光する。この際、特許文献２の方法のように区画体１３を境界として露光するのではなく、単位セル５３の受光部領域に非露光領域５５が少し入り込むように露光する。すなわち、マスク５２の開口部の水平方向位置が、単位セル５３における区画体１３の内壁面より内側になるようにして露光する。このようにすると、位置ずれに対する十分なマージンをもって化学増幅型フォトレジスト層５１を区画体１３の内側にパターニング露光することができ、誤って隣接する単位セル領域をパターニング露光したり、隣接する単位セル領域に照射光の散乱などによる悪影響を与えたりすることを避けることができる。
【０１２１】
次に、図１０（ｄ）に示すように、露光後の加熱（ＰＥＢ）を行うと、酸存在下での架橋反応が活性化され、露光領域５４が不溶化する。また、酸（水素イオン）が拡散して、架橋反応が進行する領域５６が、露光領域５４に隣接する非露光領域に形成される。この結果、ＰＥＢ加熱時間を十分長くとると、露光領域５４と区画体１３との間の非露光領域５６に存在する化学増幅型フォトレジスト層５１を不溶化させることができる。このようにして、緑色の染料を含有する化学増幅型フォトレジスト層５１は、区画体１３を型にして、その内壁面に沿う形状、例えば断面が矩形の直方体状に自動的に成形され、緑色の画素カラーフィルタ層４１ａが形成される。
【０１２２】
次に、図１０（ｅ）に示すように、アルカリ現像液を用いて現像処理を行い、不溶化していない化学増幅型フォトレジスト層５１を除去する。続いて、画素カラーフィルタ層４１ａ中に含まれる感光剤を分解して光吸収能を失活させるために、紫外線を用いて露光処理（ブリーチング露光）を行う。
【０１２３】
次に、図１０（ｆ）に示すように、緑色の画素カラーフィルタ層４１ａと同様にして、例えば、青色の画素カラーフィルタ層４１ｂと赤色の画素カラーフィルタ層４１ｃを順次所定の繰り返し色配列に配置して形成する。この際、画素カラーフィルタ層４１ａ〜４１ｃの形成順は特に問わない。
【０１２４】
以上に述べたように、本実施の形態によれば、画素カラーフィルタ１５の成形は、未露光の化学増幅型フォトレジスト層が区画体１３の枡形に密着し、その状態で不溶化することによってセルフアライメントで行われるので、フォトリソグラフィによって区画体１３に合わせて正確に画素カラーフィルタ１５をパターニングする工程が不要であるため、さほど露光精度を必要としない工程で、生産性よく、製造歩留まりよく、低コストでＣＣＤ固体撮像素子を製造することができる。
【０１２５】
その他の点では実施の形態１と同じであるから、本実施の形態においても実施の形態と同様の作用効果が得られるのは言うまでもない。すなわち、前記フィルタ部である画素カラーフィルタ４１が区画体１３によって単位セルごとに分離され、枡形の区画体１３の内壁面に沿う形、矩形又はほぼ矩形に成形されているので、ＣＣＤ固体撮像素子の画素数が増加して単位セルが微小化しても、フィルタ部の形状悪化とそれに起因する分光特性悪化などの不都合が生じにくい。また、画素カラーフィルタ４１の形状が均一になり、単位セルごとの光学特性のばらつきが減少する。
【０１２６】
また、透過波長特性の異なる画素カラーフィルタ１５によって容易に多色カラーフィルタを構成することができ、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色に対応する画素カラーフィルタ１５ａ〜１５ｃを形成すれば、フルカラーのＣＣＤ固体撮像素子を得ることができる。
【０１２７】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明の光フィルタ付き光学装置は、光フィルタが区画体によって単位セルごとにフィルタ部に分離され、フィルタ部が区画体の内壁面に沿う形、例えば、矩形又はほぼ矩形に成形されているので、固体撮像素子などの光学装置の画素数が増加し、単位セルが微小化しても、フィルタ部の形状悪化とそれに起因する分光特性悪化などの不都合が生じにくい。また、フォトリソグラフィによってフィルタ部を区画体に合わせて正確にパターニングする工程が不要であるため、さほど露光精度を必要としない工程で、生産性よく、製造歩留まりよく、低コストで光フィルタ付き光学装置を製造することができる。この結果、本発明は、ＣＣＤ固体撮像素子や液晶表示装置などの小型化や高性能化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明の実施の形態１に基づくＣＣＤ固体撮像素子の平面図である。
【図２】同、ＣＣＤ固体撮像素子の断面図である。
【図３】同、ＣＣＤ固体撮像素子のシリコン基板の断面図（ａ）とポテンシャル図（ｂ）とである。
【図４】同、ＣＣＤ固体撮像素子の作製工程の一部を示すフロー図である。
【図５】同、ＣＣＤ固体撮像素子の作製工程の一部を示すフロー図である。
【図６】同、ＣＣＤ固体撮像素子の作製工程の一部を示すフロー図である。
【図７】同、変形例に基づくＣＣＤ固体撮像素子の作製工程の一部を示すフロー図である。
【図８】本発明の実施の形態２に基づくＣＣＤ固体撮像素子の断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３に基づくＣＣＤ固体撮像素子の作製工程の一部を示すフロー図である。
【図１０】同、ＣＣＤ固体撮像素子の作製工程の一部を示すフロー図である。
【図１１】特許文献１に開示されている従来の多色カラーフィルタアレイの形成方法を示す断面図である。
【図１２】特許文献１に開示されている従来の多色カラーフィルタの形成方法の問題点を説明する断面図である。
【図１３】従来のカラーフィルタの断面形状の一例を示す顕微鏡写真（ａ）と、分光特性の一例を示すグラフ（ｂ）とである。
【図１４】特許文献２に開示されている固体撮像素子の断面図である。
【符号の説明】
【０１３０】
１…シリコン基板、２…ゲート絶縁膜、３…フォトセンサ部、
４…垂直転送部のｎ型領域、５…オーバーフロードレイン領域、
６…第１ゲート電極（垂直転送電極）、７…第２ゲート電極（垂直転送電極）、
８…絶縁膜、９…垂直転送部、１０…遮光膜（タングステンなど）、
１１…リフロー膜（ＢＰＳＧなど）、１２…窒化シリコン膜、１３…区画体、
１４…受光部領域、１５…画素カラーフィルタ層、
１５ａ…画素カラーフィルタ層（緑色）、１５ｂ…画素カラーフィルタ層（青色）、
１５ｃ…画素カラーフィルタ層（赤色）、１６…平坦化膜、１７…マイクロレンズ、
１８、１９…金属薄膜、２０…ＣＣＤ固体撮像素子、２１…区画材層、
２２…レジストパターン、２３…染料含有フォトレジスト層、２４…マスク、
２５…緑色の画素カラーフィルタ層を設ける単位セル、２６…非露光領域、
２７…露光領域、２８…受光部領域に配置された染料含有フォトレジスト、
２９…マイクロレンズ材層、３０…ＣＣＤ固体撮像素子、３１…窒化シリコン膜、
３２…区画体、３３…平坦化膜、３４…区画体、
４１ａ…画素カラーフィルタ層（緑色）、４１ｂ…画素カラーフィルタ層（青色）、
４１ｃ…画素カラーフィルタ層（赤色）、５１…化学増幅型フォトレジスト層、
５２…マスク、５３…緑色の画素カラーフィルタ層を設ける単位セル、５４…露光領域、
５５…非露光領域、５６…酸拡散領域（非露光領域）、１０１…下地層、
１０２…黄色染料含有レジスト、１０３…第１のマスク、１０４…第２のマスク、
１０５…黄色フィルタ、１０６…白色フィルタ、１０７…シアン色フィルタ、
１０８…緑色フィルタ、１０９…多色カラーフィルタ、１１０…ＣＣＤ撮像素子、
１１１…シリコン基板、１１２…フォトセンサ部、１１３…第１ゲート電極、
１１４…平坦化膜、１１５ａ…画素カラーフィルタ（緑色）、
１１５ｂ…画素カラーフィルタ（青色）、１１５ｃ…画素カラーフィルタ（赤色）、
１１６…マイクロレンズ、１２０…ＣＣＤ撮像素子、１２１…シリコン基板、
１２２…ゲート絶縁膜、１２３…フォトセンサ部、１２４…第１ゲート電極、
１２５…絶縁膜、１２６…リフロー膜、１２７…遮光メタル膜（フォトシールド）、
１２８…パッシベーション膜、１３１…メタル薄膜、１３２…画素カラーフィルタ層、
１３３…マイクロレンズ
【図１】
2006128433.tif 000003
【図２】
2006128433.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006128433.tif 000012
【図１１】
2006128433.tif 000013
【図１２】
2006128433.tif 000014
【図１４】
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【図１３】
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