(57)【要約】【課題】光電変換部の膜厚の平坦性を維持し、前記膜厚の薄膜化を実現できる固体撮像装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板上に、光電変換素子を１次元もしくは２次元配列形成する工程と、この工程により形成された光電変換素子上にカラーフィルタを形成する工程と、このカラーフィルタ上にマイクロレンズ形成層を塗布する工程と、このマイクロレンズ形成層を、グレースケールマスクを用いて露光する工程と、このグレースケールマスクを用いて露光されたマイクロレンズ形成層を現像する工程と、この現像されたマイクロレンズ形成層を熱処理する工程からなる固体撮像装置の製造方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、光電変換素子を１次元もしくは２次元配列形成する工程と、この工程により形成された光電変換素子上にカラーフィルタを形成する工程と、このカラーフィルタ上にマイクロレンズ形成層を塗布する工程と、このマイクロレンズ形成層を、グレースケールマスクを用いて露光する工程と、このグレースケールマスクを用いて露光されたマイクロレンズ形成層を現像する工程と、この現像されたマイクロレンズ形成層を熱処理する工程を備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項２】
前記マイクロレンズ形成層としてポリヒドロスチレン系樹脂を用いる請求項１に記載された固体撮像装置の製造方法。
【請求項３】
前記光電変換素子上に配置される前記カラーフィルタは、異なる透過波長帯域を持つ複数の光フィルタであり、これらの光フィルタのうち、少なくとも１つの膜厚が他の膜厚と異なるように形成されることを特徴とする請求項１に記載された固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置上に形成される光電変換部の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体撮像装置に形成される光電変換素子上には、光電変換効率を向上させるために、マイクロレンズを形成し、このマイクロレンズを介して外部から得られる光を、光電変換素子上の光電変換に寄与する領域に集光する手法が用いられている。
【０００３】
また、固体撮像装置による出力画像のカラー化は、固体撮像装置に形成される光電変換素子と、マイクロレンズの間に、特定の色（特定の波長）のみを透過させるカラーフィルタ層を設けることで実現されている。
【０００４】
以上のような固体撮像装置において、カラーフィルタの分光特性には波長依存性があるため、各色の分光特性を均一にするためには、各色のカラーフィルタを適切な膜厚に積層した後に、各カラーフィルタに光が集光するようにマイクロレンズを設ける必要がある。しかし、カラーフィルタの膜厚が不均一なため、マイクロレンズ上面からカラーフィルタ下面までの膜厚が不均一になってしまう。そこで、各カラーフィルタ上にマイクロレンズを形成する場合、各カラーフィルタ上に透明樹脂からなる平坦化層を塗布することで平坦化し、この平坦化層の上にマイクロレンズを形成することで、マイクロレンズ上面からカラーフィルタ下面までの膜厚を均一化していた。
【０００５】
しかし、近年の高画素化に対する要求に伴い、画素サイズの小型化と高感度化を行うためには、光電変換素子上に形成されるマイクロレンズ上面からカラーフィルタ下面までの膜厚を薄くする必要があるが、カラーフィルタの波長依存性のため、カラーフィルタ上に平坦化層を設けることで全体の膜厚を均一化しなければならず、膜厚を薄くできないという問題があった。
【０００６】
また、カラーフィルタ層上に直接マイクロレンズを形成する固体撮像装置の製造工程も知られている。
【０００７】
すなわち、カラーフィルタ上に、熱硬化タイプのフェノール樹脂からなる透明樹脂層を形成し、この透明樹脂層上に、アルカリ可溶性・感光性・熱フロー性をもつアクリル樹脂であるレンズ材料を塗布する。そして、塗布されたアクリル樹脂であるレンズ材に対して露光・現像・熱処理を行うことで、マイクロレンズ母型を形成する。最後に、この母型をマスクとしてドライエッチングを行うことで、前記透明樹脂層にマイクロレンズを転写するものである(特許文献１)。
【０００８】
この工程によって生成された光電変換部は、カラーフィルタ層上に直接マイクロレンズが形成された構造であるが、その目的は、マイクロレンズの厚さを薄くすることにある。さらにその製造方法は、マイクロレンズが形成される透明樹脂層上に、アルカリ可溶性・感光性・熱フロー性をもち、かつ、前記透明樹脂層よりもエッチングレートの高いアクリル樹脂を塗布し、このアクリル樹脂層にマイクロレンズ母型を形成しなければならないため、製造工程が複雑化するという問題があった。また、マイクロレンズが形成される層とは異なる材料を、マイクロレンズ母型として用いなければならないため、製造コストが増すという問題もあった。
【特許文献１】特開２００６−１００６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、固体撮像装置に形成される光電変換部の膜厚の平坦性を維持でき、この固体撮像装置に形成される光電変換部の薄膜化を実現できる製造工程を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による固体撮像装置の製造方法は、半導体基板上に、光電変換素子を１次元もしくは２次元配列形成する工程と、この工程により形成された光電変換素子上にカラーフィルタを形成する工程と、このカラーフィルタ上にマイクロレンズ形成層を塗布する工程と、このマイクロレンズ形成層を、グレースケールマスクを用いて露光する工程と、このグレースケールマスクを用いて露光されたマイクロレンズ形成層を現像する工程と、この現像されたマイクロレンズ形成層を熱処理する工程を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
以上に述べたように本発明によれば、固体撮像装置に形成される光電変換部の膜厚の平坦性を悪化させることなく、膜厚の薄膜化が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の固体撮像装置の実施形態を図１〜図６を用いて詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態による固体撮像装置の光電変換部を示す上面図である。また、図２は、図１に示す光電変換部の断面図であり、同図（ａ）は図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、（ｂ）は図１に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。
【００１４】
図１および図２に示すように、半導体基板１１上には、２次元配列された複数の光電変換素子１２が形成される。これらの光電変換素子１２が配列形成された半導体基板１１上には、平坦化層１３が積層される。この平坦化層１３上には、緑色の透過波長帯域をもつ光フィルタ１４、青色の透過波長帯域をもつ光フィルタ１５、赤色の透過波長帯域をもつ光フィルタ１６の波長の光のみが透過されるカラーフィルタがそれぞれ形成される。これにより、この光電変換部をもつ固体撮像装置の出力画像のカラー化が実現される。これらのカラーフィルタ１４、１５、１６それぞれの上面には、半球状のポリヒドロキシスチレン系樹脂からなるマイクロレンズ１７が形成されている。
【００１５】
本実施形態において、カラーフィルタ１４、１５、１６、及び平坦化層１３の樹脂材料は、光の波長５５０ｎｍの屈折率が１．４９〜１．５１の範囲の、ほぼ同じ屈折率をもつアクリル樹脂を用いた。なお、カラーフィルタ１４、１５、１６は、これに含まれる色材の関係で正確な屈折率測定は比較的難しいが、赤色光波長の７００ｎｍでの屈折率は１．７０であった(赤色波長は、５５０ｎｍの緑色波長の光の吸収が大きいため、５５０ｎｍでの正確な屈折率測定は困難)。
【００１６】
マイクロレンズ中央部の厚さは、約１．２μｍに設定した。カラーフィルタ１４、１５、１６の厚みは、それぞれ異なる厚さであり、０．６〜０．８μｍの範囲において、赤、青、緑の順に膜厚が薄くなるように設定した。本実施形態におけるレンズ下距離は、約１．３μｍとなる。なお、カラーフィルタ１４、１５、１６は、それぞれ顔料を色材とする富士フィルムエレクトロニクスマテリアルズ（株）製の感光性着色レジストを用いた。
【００１７】
つぎに、本実施形態である図１および図２に示す固体撮像装置の製造工程を、図３〜図６を用いて説明する。なお、各図において、（ａ）は図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、（ｂ）は図１に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。
【００１８】
まず図３（ａ）および同図（ｂ）に示すように、光電変換素子１２や遮光膜および保護膜１８を形成した半導体基板１１上に、平坦化層１３を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で形成し、さらに緑、青、赤のそれぞれの感光性着色レジストを用い、３回のフォトリソグラフィでカラーフィルタ１４、１５、１６を形成した。緑、青、赤のそれぞれの感光性着色レジストは、スピンコートの手法で塗布し、露光はステッパ露光機を用いた。また、分光特性より緑、青、赤の膜厚は、各色材毎により異なり０．６〜０．８μｍの厚みとなり、カラーフィルタ層の表面は凹凸形状となる。
【００１９】
次に、図４（ａ）および同図（ｂ）に示すように、カラーフィルタ１４、１５、１６の上に東京応化工業（株）製の感光性ポリヒドロキシスチレン系樹脂を０．８〜１．５μｍスピンコートで塗布し、マイクロレンズ形成層１９を形成した。
【００２０】
次に、図５（ａ）および同図（ｂ）に示すように、マイクロレンズ形成層１９を、グレースケールマスク２０を介して露光、現像し、半球状のマイクロレンズ１７を形成後、１３０〜２２０℃の熱処理によりマイクロレンズ１７を硬化させる。
【００２１】
図６は、図５の工程で用いたグレースケールマスク２０を用いた露光方法を示している。これは、マイクロレンズ１７中心部から周辺部にかけて、順にマスク開口面積が大きくなるようなグレースケールマスク２０を介して行う露光方法である。このグレースケールマスク２０を介して露光を行うことによって、マイクロレンズ１７の中心部から、マイクロレンズ１７の周辺部へ向かうほど、光量が多くなる。このため、グレースケールマスク２０を用いて露光が行われたマイクロレンズ形成層２１を現像すると、マイクロレンズ１７が形成されることになる。この露光方法を用いて形成されたマイクロレンズの平面形状は、従来用いられていた熱フロー法を用いて形成されたマイクロレンズの平面形状と比較して、より円形に近い形状が得られるため、集光率が向上する。
【００２２】
以上の工程によって、図２（ａ）および同図（ｂ）に示すような固体撮像装置の光電変換部を得ることができる。
【００２３】
なお、本実施形態による固体撮像装置の製造方法は、光電変換素子を半導体基板上に１次元配列形成された場合についても、同様に適用できる。さらに、本実施形態においては、緑色の透過波長帯域を持つ光フィルタ１４と、青色の透過波長帯域を持つ光フィルタ１５と、赤色の透過波長帯域を持つ光フィルタ１６の３種類のカラーフィルタを、ベイヤー配列により配置したが、カラーフィルタの透過波長、用いるカラーフィルタの種類、および、カラーフィルタの配置が他の場合においても、同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施形態による固体撮像装置の光電気変換部を示す上面図である。
【図２】図１に示す光電変換部の断面図であり、同図（ａ）は図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、（ｂ）は図１に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。
【図３】図１に示す固体撮像装置の製造方法を説明するための工程図であり、同図（ａ）は図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、同図（ｂ）は図１に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。
【図４】図１に示す固体撮像装置の製造方法を説明するための工程図であり、同図（ａ）は図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、同図（ｂ）は図１に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。
【図５】図１に示す固体撮像装置の製造方法を説明するための工程図であり、同図（ａ）は図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、同図（ｂ）は図１に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。
【図６】グレースケールマスクを用いた露光方法を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１１：半導体基板、１２：光電変換素子、１３：平坦化層、１４：緑色波長成分のみを透過させるフィルタ、１５：青色波長成分のみを透過させるフィルタ、１６：赤色波長成分のみを透過させるフィルタ、１７：マイクロレンズ、１８：遮光膜および保護膜、１９：マイクロレンズ形成層、２０：グレースケールマスク、２１：グレースケールマスクを用いて露光が行われたマイクロレンズ形成層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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