(57)【要約】【課題】  本発明は、感度を向上しつつ、色分解性を向上可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。【解決手段】  固体撮像素子１は、カラーフィルタ７は、透明平坦化層５上に配置されたカラーフィルタ本体部７１と、カラーフィルタ本体部７１上に形成された凸レンズ部７２とを備え、カラーフィルタ本体部７１の高さは、画素隔壁１０の高さの２倍以上高くし、凸レンズ部７２は、マイクロレンズ６に凸面を向けた凸レンズ形状に形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換素子が配置された半導体基板上に、透明平坦化層と、前記光電変換素子それぞれに対応して配置された複数のカラーフィルタと、前記光電変換素子それぞれに対応して設けられた複数のマイクロレンズとがこの順に積層され、互いに隣接する前記カラーフィルタの境界の前記透明平坦化層側に、前記カラーフィルタの樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する画素隔壁が形成された固体撮像素子であって、
前記カラーフィルタは、前記透明平坦化層上に配置されたカラーフィルタ本体部と、前記カラーフィルタ本体部上に形成された凸レンズ部とを備え、
前記カラーフィルタ本体部の高さは、前記画素隔壁の高さの２倍以上高く、
前記凸レンズ部は、前記マイクロレンズに凸面を向けた凸レンズ形状に形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記カラーフィルタは、緑色フィルタ、青色フィルタ、および赤色フィルタを含み、
前記画素隔壁は、前記青色フィルタの青色透明樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記緑色フィルタのみが、前記カラーフィルタ本体部と前記凸レンズ部とを備えることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
複数の光電変換素子が配置された半導体基板上に、透明平坦化層と、前記光電変換素子それぞれに対応して配置された複数のカラーフィルタとがこの順に積層され、互いに隣接する前記カラーフィルタの境界の前記透明平坦化層側に、前記カラーフィルタの樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する画素隔壁が形成された固体撮像素子であって、
前記カラーフィルタは、前記透明平坦化層上に配置されたカラーフィルタ本体部と、前記カラーフィルタ本体部上に形成された凸レンズ部とを備え、
前記カラーフィルタ本体部の高さは、前記画素隔壁の高さの２倍以上高く、
前記凸レンズ部は、前記光電変換素子と反対側に凸面を向けた凸レンズ形状に形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィー法によって、複数の光電変換素子それぞれに対応して配置されたカラーフィルタを、前記光電変換素子から遠い側の端部に凸レンズ形状を有する直方体形状に形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
複数の光電変換素子それぞれに対応して配置されたカラーフィルタを直方体形状に形成した後、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィー法によって、直方体形状に形成した前記カラーフィルタの前記光電変換素子から遠い側の端部を凸レンズ形状に形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子およびその製造方法に関するものであり、特に集光に用いるマイクロレンズに関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
近年、画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って、各種撮像装置が広く用いられるようになっている。撮像装置としては、種々の形式のものがあるが、小型、かつ軽量で高性能な固体撮像素子を組み込んだデジタルカメラやデジタルビデオが普及してきている。
固体撮像素子は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する。光電変換素子の種類は、ＣＣＤ（電荷結合素子）タイプと、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）タイプとに大別される。また、光電変換素子の配列形態から、光電変換素子を１列に配置したリニアセンサ（ラインセンサ）と、光電変換素子を縦横に２次元的に配列させたエリアセンサ（面センサ）とに大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子数（画素数）が多いほど撮影された画像は精密になるので、近年は特に、大画素数の固体撮像素子を安価に製造する方法が検討されている。
小型化した固体撮像素子で撮影した画像の情報量を増やすためには受光部となる光電変換素子を微細化して高集積化する必要がある。しかし、光電変換素子を高集積化した場合、各光電変換素子の面積が小さくなり受光部として利用できる面積割合も減るので、光電変換素子の受光部に取り込める光の量が少なくなるため実効的な感度は低下する。感度の低下を抑制する技術としては、例えば、特許文献１〜３に記載の技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−１５２９７２号公報
【特許文献２】特開２００６−３３２４０７号公報
【特許文献３】特開２０１４−１７９５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１〜３に記載の技術では、感度を向上できるものの、色分解性が低下する可能性があり、感度と色分解性とを両立させることが困難であった。
本発明は、上記の点に着目し、感度を向上しつつ、色分解性を向上可能な固体撮像素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、複数の光電変換素子が配置された半導体基板上に、透明平坦化層と、光電変換素子それぞれに対応して配置された複数のカラーフィルタと、光電変換素子それぞれに対応して設けられた複数のマイクロレンズとがこの順に積層され、互いに隣接するカラーフィルタの境界の透明平坦化層側に、カラーフィルタの樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する画素隔壁が形成された固体撮像素子であって、カラーフィルタは、透明平坦化層上に配置されたカラーフィルタ本体部と、カラーフィルタ本体部上に形成された凸レンズ部とを備え、カラーフィルタ本体部の高さは、画素隔壁の高さの２倍以上高く、凸レンズ部は、マイクロレンズに凸面を向けた凸レンズ形状に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、カラーフィルタのマイクロレンズ側の端部、つまり、光が入射する側の端部を凸レンズ形状に形成したため、一のカラーフィルタへの入射光がレンズ表面に沿って隣接する他のカラーフィルタに流れこむ。それゆえ、他のカラーフィルタが取り込む光の量を増大でき、他のカラーフィルタの感度を向上できる。また、カラーフィルタ本体部の高さを画素隔壁の高さの２倍以上高くしたため、透過波長外の光を十分に吸収でき、色分解性を向上できる。これにより、感度を向上しつつ、色分解性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態の固体撮像素子の構造を表す端面図である。
【図２】固体撮像素子の製造方法を説明するための端面図である。
【図３】第２実施形態の固体撮像素子の構造を表す端面図である。
【図４】第３実施形態の固体撮像素子の構造を表す端面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、本発明は、以下の実施形態に限られるものでない。
（第１実施形態）
（構造）
図１は、第１実施形態の固体撮像素子１の構造を表す端面図である。
図１に示すように、固体撮像素子１は、複数の光電変換素子３が配置された半導体基板２上（受光面側表面４）に、マイクロレンズ６を平坦化するための透明平坦化層５と、光電変換素子３それぞれに対応して配置された複数のカラーフィルタ７と、第２の透明平坦化層５１と、光電変換素子３それぞれに対応して設けられた複数のマイクロレンズ６とがこの順に積層されている。カラーフィルタ７としては、緑色フィルタ７Ｇ、青色フィルタ７Ｂ、および赤色フィルタ７Ｒを含んでいる。また、互いに隣接するカラーフィルタ７の境界の透明平坦化層５側に、カラーフィルタ７の樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する画素隔壁１０が形成されている。具体的には、画素隔壁１０は、青色フィルタ７Ｂの青色透明樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有するものとする。また、画素隔壁１０は、少なくとも１色以上のカラーフィルタ７（７Ｇ、７Ｂ、７Ｒ）によって完全に覆われている。
【０００９】
カラーフィルタ７は、透明平坦化層５上に形成された直方体状のカラーフィルタ本体部７１、およびカラーフィルタ本体部７１上に形成された凸レンズ部７２を有する。凸レンズ部７２は、マイクロレンズ６に凸面を向けた凸レンズ形状に形成されている。凸レンズ形状としては、一般的なレンズ形状である球面、楕円形、台形等が好ましい。そして、マイクロレンズ６側の端部に凸レンズ形状を有する直方体形状を形成している。カラーフィルタ本体部７１は、直方体形状に形成され、画素隔壁１０の高さの２倍以上の高さを有する。これにより、入射光が画素隔壁１０を透過する際の色分解性の低下を抑制できる。
【００１０】
このように、第１実施形態では、カラーフィルタ７のマイクロレンズ６側の端部、つまり、光が入射する側の端部を凸レンズ形状に形成した。それゆえ、例えば、一のカラーフィルタ７への入射光がレンズ表面に沿って隣接する他のカラーフィルタ７へ流れ込む。そのため、一のカラーフィルタ７の透過波長外の光、つまり、従来のカラーフィルタでは吸収されていた光を他のカラーフィルタ７で有効活用でき、感度を向上することができる。
【００１１】
（固体撮像素子１の製造方法）
図２は、固体撮像素子１の製造方法の一例を示す端面図である。
まず図２（ａ）に示すように、複数の光電変換素子３が平面配置された半導体基板２上に、透明平坦化層５および画素隔壁１０を形成する。次に、透明平坦化層５上に、緑色感光性樹脂組成物をスピンコート法によって成膜する。次に、図２（ｂ）に示すように、レンズパターン内に透過率濃度階調を有するグレートーンマスク１１を用いたフォトリソグラフィ法によって、成膜した緑色感光性樹脂組成物から、光電変換素子３から遠い側の端部に凸レンズ形状を有する直方体形状に形成した緑色フィルタ７Ｇを設ける。具体的には、まず、グレートーンマスク１１を用いて、緑色感光性樹脂組成物に露光処理を行う。
次に、緑色感光性樹脂組成物に現像処理を行って、図２（ｃ）に示すように、凸レンズ形状のパターンを形成する。現像液としては、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）やアミン系の有機アルカリ現像液を使用する。現像方法としては、スピン現像法やパドル現像法が好ましい。その後、焼成処理を行って、緑色フィルタ７Ｇを形成する。
【００１２】
なお、緑色フィルタ７Ｇの形成方法としては、他にも、グレートーンマスク１１を用いずに緑色フィルタ７Ｇを直方体形状に形成した後、直方体形状に形成した緑色フィルタ７Ｇ上に再度緑色感光性樹脂組成物をスピンコート法によって成膜し、図２（ｂ）に示すように、グレートーンマスク１１を用いたフォトリソグラフィ法によって、直方体形状に形成した緑色フィルタ７Ｇの光電変換素子３から遠い側の端部、つまり、マイクロレンズ６側の端部を凸レンズ形状に形成する方法を採用できる。このような方法によれば、工程数が増加するが、パターニング性に対する着色感光性樹脂組成物の選択の幅を拡大できる。
また、上述した緑色フィルタ７Ｇの形成手順と同様の手順で、青色フィルタ７Ｂ、および赤色フィルタ７Ｒを形成する。
【００１３】
次に、図２（ｄ）に示すように、カラーフィルタ７上に、スピンコート法による成膜後、熱処理を行って、第２の透明平坦化層５１を形成する。次に、第２の透明平坦化層５１上に、マイクロレンズ６を形成する。マイクロレンズ６の形成方法は、工程数を考慮すると、フォトリソグラフィ法を用いるのが好ましいが、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法の両方を採用してもよい。これにより、固体撮像素子１が形成される。
【００１４】
（第１実施形態の効果）
第１実施形態に係る発明は、以下の効果を奏する。
（１）第１実施形態に係る固体撮像素子１は、カラーフィルタ７は、透明平坦化層５上に配置されたカラーフィルタ本体部７１と、カラーフィルタ本体部７１上に形成された凸レンズ部７２とを備える。そして、カラーフィルタ本体部７１の高さは、画素隔壁１０の高さの２倍以上高くし、凸レンズ部７２は、マイクロレンズ６に凸面を向けた凸レンズ形状に形成されている。
このような構成によれば、カラーフィルタ７のマイクロレンズ６側の端部、つまり、光が入射する側の端部を凸レンズ形状に形成したため、一のカラーフィルタ７への入射光がレンズ表面に沿って隣接する他のカラーフィルタ７に流れこむ。それゆえ、他のカラーフィルタ７が取り込む光の量を増大でき、他のカラーフィルタ７の感度を向上をできる。また、カラーフィルタ本体部７１の高さを画素隔壁１０の高さの２倍以上高くしたため、透過波長外の光を十分に吸収でき、色分解性を向上できる。これにより、感度を向上しつつ、色分解性を向上可能な固体撮像素子１を提供することができる。
【００１５】
（２）第１実施形態に係る固体撮像素子１は、カラーフィルタ７は、緑色フィルタ７Ｇ、青色フィルタ７Ｂ、および赤色フィルタ７Ｒを含み、画素隔壁１０は、青色フィルタ７Ｂの青色透明樹脂の屈折率よりも低い屈折率を有する。
このような構成によれば、青色フィルタ７Ｂに入射した光を有効活用でき、一般的に低感度化が課題となる青色画素の感度を向上できる。
【００１６】
（３）第１実施形態に係る固体撮像素子１の製造方法は、グレートーンマスク１１を用いたフォトリソグラフィー法によって、複数の光電変換素子３それぞれに対応して配置されたカラーフィルタ７を、光電変換素子３から遠い側の端部、つまり、マイクロレンズ６側の端部に凸レンズ形状を有する直方体形状に形成する。
このような構成によれば、凸レンズ形状を、少ない工程数で比較的容易に形成できる。
【００１７】
（４）第１実施形態に係る固体撮像素子１の製造方法は、複数の光電変換素子３それぞれに対応して配置されたカラーフィルタ７を直方体形状に形成した後、グレートーンマスク１１を用いたフォトリソグラフィー法によって、直方体形状に形成したカラーフィルタ７の光電変換素子３から遠い側の端部、つまり、マイクロレンズ６側の端部を凸レンズ形状に形成する。
このような構成によれば、カラーフィルタ７の材料の選択の幅を拡大できる。
【００１８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、第１実施形態と同様な構成等については同一の符号を使用して、その詳細は省略する。
図３は、第２実施形態の固体撮像素子１の構造を表す端面図である。
図３に示すように、第２実施形態は、カラーフィルタ７のうち、緑色フィルタ７Ｇのみが、カラーフィルタ本体部７１と凸レンズ部７２とを備える構成とした点が第１実施形態と異なる。具体的には、青色フィルタ７Ｂおよび赤色フィルタ７Ｒは、マイクロレンズ６側の端部が平坦な直方体形状に形成され、緑色フィルタ７Ｇと同じ高さとなっている。
なお、その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００１９】
（第２実施形態の効果）
第２実施形態に係る発明は、第１実施形態の（１）〜（４）の効果に加えて、次のような効果を有する。
（１）第２実施形態に係る固体撮像素子１は、緑色フィルタ７Ｇのみが、カラーフィルタ本体部７１と凸レンズ部７２とを備える構成とした。
このような構成によれば、例えば、青色フィルタ７Ｂおよび赤色フィルタ７Ｒもカラーフィルタ本体部７１と凸レンズ部７２とを備えて、青色フィルタ７Ｂおよび赤色フィルタ７Ｒのマイクロレンズ６側の端部に凸レンズ形状を有する場合に比べ、青色フィルタ７Ｂおよび赤色フィルタ７Ｒの縁部側の厚みを増大することができる。それゆえ、青色フィルタ７Ｂおよび赤色フィルタ７Ｒの縁部でも波長領域外の光を十分に吸収でき、青色フィルタ７Ｂおよび赤色フィルタ７Ｒにおける、多色成分の透過による混色を抑制できる。
【００２０】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、第１実施形態と同様な構成等については同一の符号を使用して、その詳細は省略する。
図４は、第３実施形態の固体撮像素子１の構造を表す端面図である。
図４に示すように、第３実施形態は、マイクロレンズ６と第２の透明平坦化層５１とを省き、カラーフィルタ７を、光電変換素子３それぞれへの集光も行うカラーマイクロレンズとする点が第１実施形態と異なる。なお、その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００２１】
（第３実施形態の効果）
第３実施形態に係る発明は、第１実施形態の（１）〜（４）の効果に加えて、次のような効果を有する。
（１）第３実施形態に係る固体撮像素子１は、カラーフィルタ７は、透明平坦化層５上に配置されたカラーフィルタ本体部７１と、カラーフィルタ本体部７１上に形成された凸レンズ部７２とを備える。そして、カラーフィルタ本体部７１の高さは、画素隔壁１０の高さの２倍以上高くし、凸レンズ部７２は、光電変換素子３と反対側、つまり、光が入射してくる方向に凸面を向けた凸レンズ形状に形成されている。
このような構成によれば、固体撮像素子１をより薄型化することができる。また、マイクロレンズ６の形成工程を省略でき、固体撮像素子１の製造コストをより低減できる。
【符号の説明】
【００２２】
１・・・・固体撮像素子
２・・・・半導体基板
３・・・・光電変換素子
４・・・・固体撮像素子の受光面側表面
５・・・・透明平坦化層
５１・・・第２の透明平坦化層
６・・・・マイクロレンズ
７・・・・カラーフィルタ
７Ｇ・・緑色フィルタ（カラーフィルタ）
７Ｂ・・青色フィルタ（カラーフィルタ）
７Ｒ・・赤色フィルタ（カラーフィルタ）
７１・・・カラーフィルタのカラーフィルタ本体部
７２・・・カラーフィルタの凸レンズ部
７３・・・カラーフィルタのカラーフィルタ（カラーフィルタ）
１０・・・画素隔壁
１１・・・フォトマスク（グレートーンマスク）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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