カラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタとその製造方法
【課題】画素間に遮光パターンを有する色再現性の良好なカラー固体撮像素子に使用するための画素剥がれのない良好な形状のオンチップカラーフィルタを提供すること。
【解決手段】半導体基板上に複数の光電変換素子を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、遮光パターンと複数色の着色透明パターンとを色別に順次平面配置するカラーフィルタ形成工程において、初期遮光パターンを、着色透明パターンの１色目の画素部になる箇所が開口部となるように黒色材料により形成する工程、１色目の着色透明材料を塗布して硬化する工程、１色目の画素部になる箇所を全て含む領域を選択的に覆うようにエッチングレジストパターンを形成する工程、エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程、を含む各工程を順に実施する。
【解決手段】半導体基板上に複数の光電変換素子を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、遮光パターンと複数色の着色透明パターンとを色別に順次平面配置するカラーフィルタ形成工程において、初期遮光パターンを、着色透明パターンの１色目の画素部になる箇所が開口部となるように黒色材料により形成する工程、１色目の着色透明材料を塗布して硬化する工程、１色目の画素部になる箇所を全て含む領域を選択的に覆うようにエッチングレジストパターンを形成する工程、エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程、を含む各工程を順に実施する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラー固体撮像素子に用いるカラーフィルタとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を組み込んだ撮像装置が、デジタルカメラやデジタルビデオとして普及してきている。
【０００３】
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ー（ラインセンサー）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ー（面センサー）との２種類に大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は精密になる。
【０００４】
また、光電変換素子に入射する光の経路に、特定の波長の光を選択的に透過する複数色の着色透明パターンを平面配置したカラーフィルタを設けることで、対象物の色情報を得ることを可能とした単板式のカラー固体撮像素子も普及している。カラー固体撮像素子の薄型軽量化と高精細化を狙って、光電変換素子の配列基板上に直接カラーフィルタを形成するオンチップタイプのカラー固体撮像素子が主流となっている。カラーフィルタの色としては、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）の３色からなる３原色系、あるいは、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー色（Ｙ）からなる補色系が一般的であり、特に３原色系が多く使われている。
【０００５】
オンチップカラーフィルタを有するカラー固体撮像素子の構成は、図２（ａ）のカラー固体撮像素子の模式断面図に示すように、半導体基板１上に設けた光電変換素子２の配列上に絶縁層４を介して配線パターンを形成した配線層３を多段に積層して、さらにその上層に、外部接続のための電極パッド５をカラー固体撮像素子の周辺部に露出させるように、無色透明な第一の平坦化膜６を形成し、第一の平坦化膜上に着色透明層７からなる各色の画素パターンを下層の光電変換素子２に対応させて平面配置したものである。各色の画素パターンの形成法は、特定色の感光性着色樹脂を滴下後に基板を回転させて均一に塗り広げる回転塗布を行った後に、所定のパターンを有する露光用マスクを用いて感光性着色樹脂への露光、現像を行うことにより着色透明パターンを形成する工程を、色別に繰り返し行う方法が一般的である。
【０００６】
できるだけ小型化した固体撮像素子で撮影した画像の情報量を多くする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、光電変換素子を微細化した場合、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、光を取り込む面積が小さくなるため、光電変換素子の受光部に取り込める光の量が少なくなり、実効的な感度は低下する。
【０００７】
このような、微細化した固体撮像素子の感度の低下を防止するための手段として、光電変換素子の受光部に効率良く光を取り込むために、対象物から入射される光を集光して光電変換素子の受光部に導くマイクロレンズを形成する技術が提案されている。図２（ａ）に示すように、画素パターンに対応させたマイクロレンズ９を着色透明層７上に第二の平
坦化膜８を介して形成し、マイクロレンズで光を集光して光電変換素子２の受光部に導くことで、受光部の見かけ上の開口率（面積）を大きくすることが可能になり、固体撮像素子の感度の向上が可能になる。
【０００８】
さらに、図２（ａ）に示すカラー固体撮像素子が微細化していくと、入射光の一部が僅かに斜め入射する影響が無視できなくなり、着色透明層７の各色画素パターンと対応する光電変換素子以外の隣接する素子に入射して混色が発生する。その結果、カラー固体撮像素子の色再現性が著しく劣化する。
混色を防止して、色再現性の良好なカラー固体撮像素子を提供するために、図２（ｂ）に示すように、着色透明層７の各色の画素パターン間に遮光パターン１０を形成することが提案されている（特許文献１参照）。
【０００９】
前記マイクロレンズでの集光を考慮すると、素子の形状を細長くすることは困難であり、また、微細化した各画素３色に対応させて光電変換素子の数を増やすことも製造上の制約を大きくするので、図３（ａ）に示すような、ベイヤ（Ｂａｙｅｒ）配列と呼ばれる市松模様の配列をカラーフィルタに適用して、見かけ上の解像度を低下させずに総画素数の低減を図っている。ここで、１画素が１色のカラーフィルタ画素に対応しており、Ｇ（緑色）２画素を対角に配置した４画素で１組（図３中の太線で囲まれた組）の配列が繰り返し配置される。この配列の場合、光電変換素子の総画素数Ｎに対して、Ｇ（緑色）の画素数はＮ／２、Ｒ（赤色）及びＢ（青色）の画素数はＮ／４となるが、各画素ごとに周辺の画素の出力を用いて補間演算を行うことにより、Ｎ個のＲＧＢの組を作り出す。ここで、Ｇ（緑色）の画素を他の色に比べて２倍に多くしているのは、人の目の視感度の高いＧに対する解像度が見かけ上の解像度を高めるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平２−３０４９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
オンチップカラーフィルタを製造するにあたって、着色透明パターンの画素剥がれが発生すると、カラー固体撮像素子における「白キズ」モードの欠陥となる。図３（ａ）に示したベイヤ配列においてもパターンの微細化に伴い、欠陥発生の可能性が高まる。図３（ａ）の一点鎖線ｙ−ｙ’に沿う模式断面図を図３（ｂ）に示すと、第一の平坦化膜６上に、遮光パターン１０を挟んで各色の着色透明パターン７１（Ｇ）、７２（Ｒ）、７１（Ｇ）、７３（Ｂ）が平面配列する。図２と同様の透明な第一の平坦化膜６が他の樹脂に対する接着性を有することにより、遮光パターンや各色の着色透明パターンの画素剥がれを防止する効果は期待できるが、図３（ｂ）の各パターンの縦／横比すなわち、遮光パターンや各色の着色透明パターンの膜厚／サイズ比が大きくなれば画素剥がれが生じ易くなる。
【００１２】
また、遮光パターン１０は、カラー固体撮像素子の微細化に伴い、他種のパターンと較べて特に著しい微細化が要請される。遮光パターンの線幅が０．１μｍに近付くと、例えばフォトリソグラフィー法により遮光パターンを形成する際に波長３６５ｎｍのｉ線ステッパーを使用する場合、線幅の制御が難しくなるとともに、剥がれが発生し易くなる。その結果、混色が発生したり、画素間の感度差が大きくなり、色再現性が劣化することがある。さらに、遮光パターンの剥がれが隣接する着色透明パターンの画素剥がれを起こすきっかけを与えることもある。
【００１３】
本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、画素間に遮光パターンを有する色再現性の良好なカラー固体撮像素子に使用するため
の画素剥がれのない良好な形状のオンチップカラーフィルタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、半導体基板上に複数の光電変換素子を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、遮光パターンと複数色の着色透明パターンとを色別に順次平面配置するカラーフィルタ形成工程において、初期遮光パターンを、着色透明パターンの１色目の画素部になる箇所が開口部となるように黒色材料により形成する工程、１色目の着色透明材料を塗布して硬化する工程、１色目の画素部になる箇所を全て含む領域を選択的に覆うようにエッチングレジストパターンを形成する工程、エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程、を含む各工程を順に実施することを特徴とするカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法である。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、初期遮光パターンを形成する工程にドライエッチングを用いることを特徴とする請求項１に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法である。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明は、エッチングレジストパターンを形成する工程に使用するレジスト材料がポジ型感光性樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法である。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明は、エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程にドライエッチングを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法である。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明は、エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程の後に、着色透明パターンの２色目の画素部になる箇所にフォトリソグラフィー法により２色目の着色透明パターンを形成する工程、着色透明パターンの３色目の画素部になる箇所にフォトリソグラフィー法により３色目の着色透明パターンを形成する工程、を順に実施することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法である。
【００１９】
また、請求項６に記載の発明は、遮光パターンの光透過率が２０〜７０％であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法により形成されるカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタである。
【００２０】
また、請求項７に記載の発明は、遮光パターンを構成する黒色材料が、カーボンブラックを有し、遮光パターンの厚さが０．０５〜０．３μｍであることを特徴とする請求項６に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタである。
【００２１】
また、請求項８に記載の発明は、複数色の着色透明パターンを構成する材料が、それぞれ選択した色の着色顔料を分散させた樹脂を有することを特徴とする請求項６または７に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタである。
【００２２】
また、請求項９に記載の発明は、複数色の着色透明パターンの平面配置がベイヤ配列であり、１色目が緑色であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタである。
【００２３】
また、請求項１０に記載の発明は、着色透明パターンが、隣接した遮光パターン上に積層した構成を有することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、オンチップカラーフィルタの２色目以降の画素部の形成箇所を、１色目の着色透明材料の塗布前に大柄な領域を含む初期遮光パターンで覆っておくことができるので、微細化した遮光パターンが長い工程処理に晒されて剥がれを生じる機会を減らすことができ、良好な形状のオンチップカラーフィルタを提供することができる。
【００２５】
また、本発明の請求項２〜５によれば、さらに良好な形状のオンチップカラーフィルタを提供することができる。また、本発明の請求項６〜１０によれば、さらに良好な形状のオンチップカラーフィルタを高解像度で提供し、特に色再現性の良好なカラー固体撮像素子を構成する要素として最適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の主要工程を（ａ）〜（ｄ）の工程順に説明するための模式平面図（上段）と、対応する位置の一点鎖線ｘ−ｘ’での模式断面図（下段）である。
【図２】オンチップカラーフィルタを有するカラー固体撮像素子の模式断面図であって、（ａ）は画素パターン間に遮光パターンなしのタイプ、（ｂ）は画素パターン間に遮光パターンありのタイプを示す。
【図３】オンチップカラーフィルタの平面配列の一例を説明するための模式図であって、（ａ）は一組の画素配列を示す平面図、（ｂ）は（ａ）における一点鎖線ｙ−ｙ’に沿った断面図である。
【図４】初期の遮光パターンの比較による、本発明による方法（ａ）と従来法（ｂ）との比較説明図である。
【図５】本発明の一例について、２色目以降の工程による製造手順を説明するための模式平面図（上段）と、対応する位置の一点鎖線ｘ−ｘ’、またはｚ−ｚ’での模式断面図（下段）である。
【図６】本発明の他の一例について、２色目以降の工程による製造手順を説明するための模式平面図（上段）と、対応する位置の一点鎖線ｘ−ｘ’、またはｚ−ｚ’での模式断面図（下段）である。
【図７】図６に示す製造手順により形成されるオンチップカラーフィルタの平面配列の一例を説明するための模式図であって、（ａ）は一組の画素配列を示す平面図、（ｂ）は（ａ）における一点鎖線ｙ−ｙ’に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面に従って、本発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明の主要工程を（ａ）〜（ｄ）の工程順に説明するための模式平面図（上段）と、対応する位置の一点鎖線ｘ−ｘ’での模式断面図（下段）である。
【００２８】
本発明は、図２（ｂ）の半導体基板１上に複数の光電変換素子２を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、第一の平坦化膜６を介して、遮光パターン１０と複数色の着色透明パターンからなる着色透明層７とを色別に順次平面配置するオンチップカラーフィルタ形成工程において、工程上の工夫を行ったものであり、前記ベイヤ配列のパターンを形成する例に従って説明する。すなわち、本発明は、図１（ａ）初期遮光パターン１１を、着色透明パターンの１色目の画素部になる箇所が開口部１２となるように黒色材料により形成する工程、図１（ｂ）１色目の着色透明材料の塗布層７１１を形成して硬化する工程、図１（ｃ）１色目の画素部になる箇所を全て含む領域を選択的に覆うようにエッチングレジストパターン１３を形成する工程、図１（ｄ）エッチングレジストパターンの開口部１４に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去して除去部１５を設けることにより、２色目以降の画素部になる箇所を準備し、併せて遮光パターン１０を整形する工程、を含む各工程を順に実施する。
【００２９】
なお、前記第一の平坦化膜６は、下層の光電変換素子２、配線層３、絶縁層４を含む領域上にオンチップカラーフィルタ形成工程を実施するための、平坦で均質な下地を提供するための無色透明な膜を必要最小限の厚さに形成することが望ましく、例えば、無色透明なアクリル樹脂溶液を０．１μｍの厚さに薄く塗布形成し、熱処理して得られる。
【００３０】
黒色材料により初期遮光パターン１１を図１（ａ）のように形成する方法としては、黒色材料に感光性を付与した材料を塗布、乾燥後、選択的露光、現像、硬化の一般的なフォトリソグラフィー法のプロセスを実施することにより、直接的にパターン形成することができる。また、感光性不要の黒色材料を塗布、乾燥した表面に、ドライエッチングレジストパターンを上記と類似のフォトリソグラフィー法で形成後、ドライエッチング法により微細パターンの形状を良好な状態に形成することができる。後者の方法では、フォトリソグラフィー適性とドライエッチング適性とをレジスト材料と黒色材料とに分担して最適化できるので、微細化パターンの形成に特に適している。また、ドライエッチング耐性を特に補強する目的で、レジスト材料の下層に無機膜を形成しておき、黒色材料のドライエッチングをさらに良好な形状に完了させることも可能である。
【００３１】
次に、図１（ｂ）に示すように、１色目の着色透明材料の塗布層７１１をスピンコート等の均一に塗布できる手段により形成する。その後、エッチングレジストパターン１３を、少なくとも１色目の画素部になる箇所を全て含んで覆うように、また、２色目以降の画素部を設ける予定の箇所はエッチングレジストパターンの開口部１４とするように、形成する（図１（ｃ）参照）。エッチングレジストパターン１３を形成する工程に使用するレジスト材料が露光部分が現像で溶解除去されるポジ型感光性樹脂であれば、上記のエッチングレジストパターン１３で覆う部分に対応して遮光部を設けたフォトマスクを使う。
【００３２】
ポジ型感光性樹脂は、高感度で解像性の高い材料が実用に供されており、例えばノボラック樹脂系のアルカリ可溶性のフォトレジストを使用できる。１色目の着色透明塗布層７１１の表面に、ポジ型感光性樹脂をスピンコート等の手段により均一に塗布、乾燥後、最終的に残したい１色目の画素部になる箇所に対応する部分を遮光し、１色目の着色透明塗布層を除去したい２色目以降の画素部を設ける予定の箇所に対応する部分を光透過部としたフォトマスクにより選択的に露光する。オンチップカラーフィルタ形成工程と同時に形成される画素領域周辺の各種パターンに関しては、詳細は省略するが、後の加工除去の必要性等に応じて、工程途中での表面の露出を避けたい箇所に対応する部分を遮光し、表面を露出したい箇所に対応する部分を光透過部として、前記フォトマスクのパターンに盛り込んでおくことができる。上記フォトマスクを用いた選択的露光の後にアルカリ溶液により現像することにより、フォトマスクパターンの遮光部に対応する部分のみにエッチングレジストパターン１３が残り、フォトマスクパターンの光透過部に対応する部分はエッチングレジストパターンの開口部１４となる。
【００３３】
ポジ型感光性樹脂を前記エッチングレジストパターンを形成する工程に使用するレジスト材料として使用することにより、レジストパターンを少ない光量の簡単な工程で良好な形状で形成することができる。また、後述のドライエッチング工程での耐性を考慮して、ドライエッチング耐性を特に補強する目的で、レジスト材料の下層に無機膜を形成しておき、無機膜をパターン形成後に、該無機膜をドライエッチングに対するマスクとして使用して、１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とのドライエッチングを良好な形状に完了させることも可能である。
【００３４】
次に、図１（ｄ）に示すように、エッチングレジストパターンの開口部１４に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去して除去部１５を設けることにより、２色目以降の画素部になる箇所を準備し、併せて遮光パターン１０を整形することができる。除去部１５を形成するためのエッチングとして、ドライエッチングが相応しい。
ドライエッチングで除去する除去部の主材料が樹脂であれば、通常のドライエッチング装置に限定されず、酸素ガスを導入するアッシング装置を用いることも可能であり、その場合には、残余のエッチングレジストパターンの除去も同装置で行うことが可能になる。また、一般的には、１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去するためのエッチングガスは、必要に応じて最適化するように切り換えることができる。加工された領域の断面形状は、ウェットエッチングに比較してドライエッチングでは、サイドエッチング等の形状不良化要因が小さく、微細パターンの加工に特に適している。
【００３５】
一例として、本例における黒色材料に、アクリル樹脂系の光硬化性樹脂にカーボンブラックを分散させた材料を用いて、フォトリソグラフィー法により図１（ａ）に示す初期遮光パターン１１を形成した後に、前述の通り、１色目の着色透明材料の塗布層７１１とエッチングレジストパターン１３とを順次形成し、ドライエッチング装置にＣＦ４ガスを流した環境下で、エッチング時間約１分程度で、図１（ｄ）に示すように、１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを選択的に除去することができる。
【００３６】
図４は、初期の遮光パターンの比較による、本発明による方法（ａ）と従来法（ｂ）との比較説明図である。それぞれの上段は一組の画素配列（ベイヤ配列）を形成するための元となる初期の遮光パターンの平面図であり、下段は平面図における一点鎖線ｘ−ｘ’に沿った断面図である。
【００３７】
従来法（ｂ）では、初めから遮光パターン１０として必要な形状のパターンを第一の平坦化膜６上に形成しておき、その後、着色透明層７の加工形成工程を行うのに対して、本発明（ａ）では、最終の遮光パターン１０とは異なり、２色目以降の画素部になる箇所にも黒色材料による遮光部を残した初期遮光パターン１１を初めに形成する。例えば、本例のベイヤ配列の着色透明パターンを採用する場合は、図４（ａ）の配列を縦方向と横方向に同一の向きに並べて複数組繰り返し配列するため、初期遮光パターンの開口部１２の周囲４方向には遮光部が隣接することになり、初期遮光パターン１１には事実上、細線が現れない形状となる。ベイヤ配列ではないパターンの場合であっても、オンチップカラーフィルタの２色目以降の画素部の形成箇所を、１色目の着色透明材料の塗布前に大柄な領域を含む初期遮光パターンで覆っておくことができるので、微細化した遮光パターンが長い工程処理に晒されて剥がれを生じる機会を減らすことができる。
【００３８】
図５は、本発明の一例について、図１に示した本発明の主要工程（ａ）〜（ｄ）の工程順以降の２色目以降の工程による製造手順を説明するための図面であって、模式平面図（上段）と、対応する位置の一点鎖線ｘ−ｘ’、またはｚ−ｚ’での模式断面図（下段）である。図５（ｄ）は図１（ｄ）と同じ図を再掲したものである。
【００３９】
本例においては、エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程（図５（ｄ））により１色目の着色透明パターン７１および除去部１５を前述のように形成終了した後に、着色透明パターンの２色目の画素部になる箇所にフォトリソグラフィー法により２色目の着色透明パターン７２を形成する工程（図５（ｅ）および（ｆ））、着色透明パターンの３色目の画素部になる箇所にフォトリソグラフィー法により３色目の着色透明パターン７３を形成する工程（図５（ｇ））、を順に実施することにより、カラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタを製造できる。
【００４０】
２色目の着色透明パターン７２を形成する工程は、先ず２色目の着色透明材料の塗布層７２１をスピンコート等の均一に塗布できる手段により形成する（図５（ｅ）参照）。２色目の着色透明材料としては、感光性を付与した材料を用いて、塗布、乾燥後、選択的露光、現像、硬化の一般的なフォトリソグラフィー法のプロセスを実施することにより、直接的にパターン形成して、図５（ｆ）のように２色目の画素部を設ける予定の箇所に位置合わせして形成することができる。なお、この際、３色目の画素部を設ける予定の箇所に塗布された２色目の着色透明材料は現像により除去され、現像除去部１６を与える。感光性を付与された２色目の着色透明材料は、現像後に熱硬化することによって、若干の収縮を伴って、１色目の着色透明パターン７１と同等の高さの２色目の着色透明パターン７２となって並んで安定に形成することができる。
【００４１】
図５（ｇ）に示すように、着色透明パターンの３色目の画素部になる箇所にフォトリソグラフィー法により３色目の着色透明パターン７３を形成する工程は、前記２色目の着色透明パターン７２を形成する工程と同様に行うことによって、３色が平面配列したベイヤ配列のオンチップカラーフィルタの着色透明層が完成する。
【００４２】
図６は、本発明の他の一例について、図１に示した本発明の主要工程（ａ）〜（ｄ）の工程順以降の２色目以降の工程による製造手順を説明するための図面であって、模式平面図（上段）と、対応する位置の一点鎖線ｘ−ｘ’、またはｚ−ｚ’での模式断面図（下段）である。図６（ｄ）は図１（ｄ）と同じ図を再掲したものである。
【００４３】
本例においては、図５により説明した例と同様の製造方法により、カラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタを製造できるが、２色目の着色透明パターン７２’および／または、３色目の着色透明パターン７３’の厚さが１色目の着色透明パターン７１より厚く、かつ、隣接した遮光パターン１０上に積層した構成を有することができる。本例の構成を実現することによって、着色透明パターンおよび遮光パターンの相互の接触面積が増大し、着色透明パターンおよび遮光パターンの製造工程での剥がれを防止できるとともに、製造後の応力等による剥がれに対しても防止効果が得られる。
【００４４】
図７は、図６に示す製造手順により形成されるオンチップカラーフィルタの平面配列の一例を説明するための模式図であって、（ａ）は一組の画素配列を示す平面図、（ｂ）は（ａ）における一点鎖線ｙ−ｙ’に沿った断面図である。図６に示したように、３色の着色透明パターンの厚さが不揃いの場合は、図７の第二の平坦化膜８の役割が特に重要になる。すなわち、第二の平坦化膜８により、３色の着色透明パターン表面の高さの不均一を解消し、上層に設けるマイクロレンズ９の下地として平坦な面を提供できる。第二の平坦化膜８の例としては、無色透明なアクリル樹脂溶液を０．２μｍの厚さに塗布形成し、必要に応じて露光、現像工程を経て、熱処理により硬化して得られる。
【００４５】
本発明のオンチップカラーフィルタを構成する遮光パターンは、隣接する画素間の光を遮断することにより、混色を防ぎ、色再現性の良好なカラー固体撮像素子を提供することに寄与するものであるが、着色画素の周囲を形状良く光量制限する機能があれば、若干の光透過性は障害にならないばかりか、位置合わせの対象パターンとして利用する上で一定の光透過性は好ましい。アライメントのための光透過率として２０％以上あることが望ましく、また、本来必要とする遮光性を考慮すると、光透過率は７０％以下が望ましい。
【００４６】
また、遮光パターンを構成する黒色材料としては、入手しやすく、塗布材料として樹脂や溶剤との調合と、ドライエッチングによる除去が容易なカーボンブラックを有することが適当である。調合結果の塗布材料が有する遮光性の性能にもよるが、パターン形状や積層構成を考慮して、過度に厚く形成することは不良欠陥を作る原因になるので、最終的な遮光パターンの厚さを０．０５〜０．３μｍとすることが望ましい。遮光パターンが薄過
ぎれば、遮光性が一般的に不充分となり、遮光パターンが厚過ぎれば、特に塗布工程でムラを生じ、パターン形成後もムラとして現れてしまう。
【００４７】
一方、本発明のオンチップカラーフィルタを構成する着色透明パターンは、複数の色を準備する必要がある。着色透明パターン形成に用いる材料は、所望の色を高い色純度と明るさで得られる着色顔料を樹脂中に分散させて塗布材料としたものが好ましい。また、本発明の製造方法より、２色目および３色目の着色透明パターンに用いる材料は、感光性を与えて、直接フォトリソグラフィー法により露光現像できるタイプが望ましい。例えば、アクリル系樹脂に光重合開始剤や溶剤を加えた光硬化タイプのネガ型レジストを用いることができる。１色目の着色透明パターンに用いる材料は、塗布形成後にエッチングレジストパターンをマスクとしてエッチングする製造方法を実施するので、着色透明材料自体には感光性は必ずしも必要ない。
【００４８】
また、本発明のオンチップカラーフィルタは、複数色の着色透明パターンの平面配置がベイヤ配列であり、１色目が緑色であることが好ましい。見かけ上の解像度を低下させずに総画素数の低減を図るベイヤ配列を採用することにより、同程度の微細化工程で比較すれば、高解像度のカラー固体撮像素子を提供できる。また、ベイヤ配列において、画素数の多い緑色を１色目に採用することにより、初期遮光パターンから加工形成する遮光パターンの剥がれや各画素の周囲で遮光パターンに積層する着色透明パターンの剥がれをさらに防止することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１・・・半導体基板
２・・・光電変換素子
３・・・配線層
４・・・絶縁層
５・・・電極パッド
６・・・第一の平坦化膜
７・・・着色透明層
８・・・第二の平坦化膜
９・・・マイクロレンズ
１０・・・遮光パターン
１１・・・初期遮光パターン
１２・・・初期遮光パターンの開口部
１３・・・エッチングレジストパターン
１４・・・エッチングレジストパターンの開口部
１５・・・除去部
１６・・・現像除去部
７１・・・１色目の着色透明パターン
７２・・・２色目の着色透明パターン
７３・・・３色目の着色透明パターン
７１１・・・１色目の着色透明塗布層
７２１・・・２色目の着色透明塗布層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラー固体撮像素子に用いるカラーフィルタとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を組み込んだ撮像装置が、デジタルカメラやデジタルビデオとして普及してきている。
【０００３】
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ー（ラインセンサー）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ー（面センサー）との２種類に大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は精密になる。
【０００４】
また、光電変換素子に入射する光の経路に、特定の波長の光を選択的に透過する複数色の着色透明パターンを平面配置したカラーフィルタを設けることで、対象物の色情報を得ることを可能とした単板式のカラー固体撮像素子も普及している。カラー固体撮像素子の薄型軽量化と高精細化を狙って、光電変換素子の配列基板上に直接カラーフィルタを形成するオンチップタイプのカラー固体撮像素子が主流となっている。カラーフィルタの色としては、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）の３色からなる３原色系、あるいは、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー色（Ｙ）からなる補色系が一般的であり、特に３原色系が多く使われている。
【０００５】
オンチップカラーフィルタを有するカラー固体撮像素子の構成は、図２（ａ）のカラー固体撮像素子の模式断面図に示すように、半導体基板１上に設けた光電変換素子２の配列上に絶縁層４を介して配線パターンを形成した配線層３を多段に積層して、さらにその上層に、外部接続のための電極パッド５をカラー固体撮像素子の周辺部に露出させるように、無色透明な第一の平坦化膜６を形成し、第一の平坦化膜上に着色透明層７からなる各色の画素パターンを下層の光電変換素子２に対応させて平面配置したものである。各色の画素パターンの形成法は、特定色の感光性着色樹脂を滴下後に基板を回転させて均一に塗り広げる回転塗布を行った後に、所定のパターンを有する露光用マスクを用いて感光性着色樹脂への露光、現像を行うことにより着色透明パターンを形成する工程を、色別に繰り返し行う方法が一般的である。
【０００６】
できるだけ小型化した固体撮像素子で撮影した画像の情報量を多くする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、光電変換素子を微細化した場合、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、光を取り込む面積が小さくなるため、光電変換素子の受光部に取り込める光の量が少なくなり、実効的な感度は低下する。
【０００７】
このような、微細化した固体撮像素子の感度の低下を防止するための手段として、光電変換素子の受光部に効率良く光を取り込むために、対象物から入射される光を集光して光電変換素子の受光部に導くマイクロレンズを形成する技術が提案されている。図２（ａ）に示すように、画素パターンに対応させたマイクロレンズ９を着色透明層７上に第二の平
坦化膜８を介して形成し、マイクロレンズで光を集光して光電変換素子２の受光部に導くことで、受光部の見かけ上の開口率（面積）を大きくすることが可能になり、固体撮像素子の感度の向上が可能になる。
【０００８】
さらに、図２（ａ）に示すカラー固体撮像素子が微細化していくと、入射光の一部が僅かに斜め入射する影響が無視できなくなり、着色透明層７の各色画素パターンと対応する光電変換素子以外の隣接する素子に入射して混色が発生する。その結果、カラー固体撮像素子の色再現性が著しく劣化する。
混色を防止して、色再現性の良好なカラー固体撮像素子を提供するために、図２（ｂ）に示すように、着色透明層７の各色の画素パターン間に遮光パターン１０を形成することが提案されている（特許文献１参照）。
【０００９】
前記マイクロレンズでの集光を考慮すると、素子の形状を細長くすることは困難であり、また、微細化した各画素３色に対応させて光電変換素子の数を増やすことも製造上の制約を大きくするので、図３（ａ）に示すような、ベイヤ（Ｂａｙｅｒ）配列と呼ばれる市松模様の配列をカラーフィルタに適用して、見かけ上の解像度を低下させずに総画素数の低減を図っている。ここで、１画素が１色のカラーフィルタ画素に対応しており、Ｇ（緑色）２画素を対角に配置した４画素で１組（図３中の太線で囲まれた組）の配列が繰り返し配置される。この配列の場合、光電変換素子の総画素数Ｎに対して、Ｇ（緑色）の画素数はＮ／２、Ｒ（赤色）及びＢ（青色）の画素数はＮ／４となるが、各画素ごとに周辺の画素の出力を用いて補間演算を行うことにより、Ｎ個のＲＧＢの組を作り出す。ここで、Ｇ（緑色）の画素を他の色に比べて２倍に多くしているのは、人の目の視感度の高いＧに対する解像度が見かけ上の解像度を高めるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平２−３０４９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
オンチップカラーフィルタを製造するにあたって、着色透明パターンの画素剥がれが発生すると、カラー固体撮像素子における「白キズ」モードの欠陥となる。図３（ａ）に示したベイヤ配列においてもパターンの微細化に伴い、欠陥発生の可能性が高まる。図３（ａ）の一点鎖線ｙ−ｙ’に沿う模式断面図を図３（ｂ）に示すと、第一の平坦化膜６上に、遮光パターン１０を挟んで各色の着色透明パターン７１（Ｇ）、７２（Ｒ）、７１（Ｇ）、７３（Ｂ）が平面配列する。図２と同様の透明な第一の平坦化膜６が他の樹脂に対する接着性を有することにより、遮光パターンや各色の着色透明パターンの画素剥がれを防止する効果は期待できるが、図３（ｂ）の各パターンの縦／横比すなわち、遮光パターンや各色の着色透明パターンの膜厚／サイズ比が大きくなれば画素剥がれが生じ易くなる。
【００１２】
また、遮光パターン１０は、カラー固体撮像素子の微細化に伴い、他種のパターンと較べて特に著しい微細化が要請される。遮光パターンの線幅が０．１μｍに近付くと、例えばフォトリソグラフィー法により遮光パターンを形成する際に波長３６５ｎｍのｉ線ステッパーを使用する場合、線幅の制御が難しくなるとともに、剥がれが発生し易くなる。その結果、混色が発生したり、画素間の感度差が大きくなり、色再現性が劣化することがある。さらに、遮光パターンの剥がれが隣接する着色透明パターンの画素剥がれを起こすきっかけを与えることもある。
【００１３】
本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、画素間に遮光パターンを有する色再現性の良好なカラー固体撮像素子に使用するため
の画素剥がれのない良好な形状のオンチップカラーフィルタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、半導体基板上に複数の光電変換素子を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、遮光パターンと複数色の着色透明パターンとを色別に順次平面配置するカラーフィルタ形成工程において、初期遮光パターンを、着色透明パターンの１色目の画素部になる箇所が開口部となるように黒色材料により形成する工程、１色目の着色透明材料を塗布して硬化する工程、１色目の画素部になる箇所を全て含む領域を選択的に覆うようにエッチングレジストパターンを形成する工程、エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程、を含む各工程を順に実施することを特徴とするカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法である。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、初期遮光パターンを形成する工程にドライエッチングを用いることを特徴とする請求項１に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法である。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明は、エッチングレジストパターンを形成する工程に使用するレジスト材料がポジ型感光性樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法である。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明は、エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程にドライエッチングを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法である。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明は、エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程の後に、着色透明パターンの２色目の画素部になる箇所にフォトリソグラフィー法により２色目の着色透明パターンを形成する工程、着色透明パターンの３色目の画素部になる箇所にフォトリソグラフィー法により３色目の着色透明パターンを形成する工程、を順に実施することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法である。
【００１９】
また、請求項６に記載の発明は、遮光パターンの光透過率が２０〜７０％であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法により形成されるカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタである。
【００２０】
また、請求項７に記載の発明は、遮光パターンを構成する黒色材料が、カーボンブラックを有し、遮光パターンの厚さが０．０５〜０．３μｍであることを特徴とする請求項６に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタである。
【００２１】
また、請求項８に記載の発明は、複数色の着色透明パターンを構成する材料が、それぞれ選択した色の着色顔料を分散させた樹脂を有することを特徴とする請求項６または７に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタである。
【００２２】
また、請求項９に記載の発明は、複数色の着色透明パターンの平面配置がベイヤ配列であり、１色目が緑色であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタである。
【００２３】
また、請求項１０に記載の発明は、着色透明パターンが、隣接した遮光パターン上に積層した構成を有することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、オンチップカラーフィルタの２色目以降の画素部の形成箇所を、１色目の着色透明材料の塗布前に大柄な領域を含む初期遮光パターンで覆っておくことができるので、微細化した遮光パターンが長い工程処理に晒されて剥がれを生じる機会を減らすことができ、良好な形状のオンチップカラーフィルタを提供することができる。
【００２５】
また、本発明の請求項２〜５によれば、さらに良好な形状のオンチップカラーフィルタを提供することができる。また、本発明の請求項６〜１０によれば、さらに良好な形状のオンチップカラーフィルタを高解像度で提供し、特に色再現性の良好なカラー固体撮像素子を構成する要素として最適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の主要工程を（ａ）〜（ｄ）の工程順に説明するための模式平面図（上段）と、対応する位置の一点鎖線ｘ−ｘ’での模式断面図（下段）である。
【図２】オンチップカラーフィルタを有するカラー固体撮像素子の模式断面図であって、（ａ）は画素パターン間に遮光パターンなしのタイプ、（ｂ）は画素パターン間に遮光パターンありのタイプを示す。
【図３】オンチップカラーフィルタの平面配列の一例を説明するための模式図であって、（ａ）は一組の画素配列を示す平面図、（ｂ）は（ａ）における一点鎖線ｙ−ｙ’に沿った断面図である。
【図４】初期の遮光パターンの比較による、本発明による方法（ａ）と従来法（ｂ）との比較説明図である。
【図５】本発明の一例について、２色目以降の工程による製造手順を説明するための模式平面図（上段）と、対応する位置の一点鎖線ｘ−ｘ’、またはｚ−ｚ’での模式断面図（下段）である。
【図６】本発明の他の一例について、２色目以降の工程による製造手順を説明するための模式平面図（上段）と、対応する位置の一点鎖線ｘ−ｘ’、またはｚ−ｚ’での模式断面図（下段）である。
【図７】図６に示す製造手順により形成されるオンチップカラーフィルタの平面配列の一例を説明するための模式図であって、（ａ）は一組の画素配列を示す平面図、（ｂ）は（ａ）における一点鎖線ｙ−ｙ’に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面に従って、本発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明の主要工程を（ａ）〜（ｄ）の工程順に説明するための模式平面図（上段）と、対応する位置の一点鎖線ｘ−ｘ’での模式断面図（下段）である。
【００２８】
本発明は、図２（ｂ）の半導体基板１上に複数の光電変換素子２を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、第一の平坦化膜６を介して、遮光パターン１０と複数色の着色透明パターンからなる着色透明層７とを色別に順次平面配置するオンチップカラーフィルタ形成工程において、工程上の工夫を行ったものであり、前記ベイヤ配列のパターンを形成する例に従って説明する。すなわち、本発明は、図１（ａ）初期遮光パターン１１を、着色透明パターンの１色目の画素部になる箇所が開口部１２となるように黒色材料により形成する工程、図１（ｂ）１色目の着色透明材料の塗布層７１１を形成して硬化する工程、図１（ｃ）１色目の画素部になる箇所を全て含む領域を選択的に覆うようにエッチングレジストパターン１３を形成する工程、図１（ｄ）エッチングレジストパターンの開口部１４に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去して除去部１５を設けることにより、２色目以降の画素部になる箇所を準備し、併せて遮光パターン１０を整形する工程、を含む各工程を順に実施する。
【００２９】
なお、前記第一の平坦化膜６は、下層の光電変換素子２、配線層３、絶縁層４を含む領域上にオンチップカラーフィルタ形成工程を実施するための、平坦で均質な下地を提供するための無色透明な膜を必要最小限の厚さに形成することが望ましく、例えば、無色透明なアクリル樹脂溶液を０．１μｍの厚さに薄く塗布形成し、熱処理して得られる。
【００３０】
黒色材料により初期遮光パターン１１を図１（ａ）のように形成する方法としては、黒色材料に感光性を付与した材料を塗布、乾燥後、選択的露光、現像、硬化の一般的なフォトリソグラフィー法のプロセスを実施することにより、直接的にパターン形成することができる。また、感光性不要の黒色材料を塗布、乾燥した表面に、ドライエッチングレジストパターンを上記と類似のフォトリソグラフィー法で形成後、ドライエッチング法により微細パターンの形状を良好な状態に形成することができる。後者の方法では、フォトリソグラフィー適性とドライエッチング適性とをレジスト材料と黒色材料とに分担して最適化できるので、微細化パターンの形成に特に適している。また、ドライエッチング耐性を特に補強する目的で、レジスト材料の下層に無機膜を形成しておき、黒色材料のドライエッチングをさらに良好な形状に完了させることも可能である。
【００３１】
次に、図１（ｂ）に示すように、１色目の着色透明材料の塗布層７１１をスピンコート等の均一に塗布できる手段により形成する。その後、エッチングレジストパターン１３を、少なくとも１色目の画素部になる箇所を全て含んで覆うように、また、２色目以降の画素部を設ける予定の箇所はエッチングレジストパターンの開口部１４とするように、形成する（図１（ｃ）参照）。エッチングレジストパターン１３を形成する工程に使用するレジスト材料が露光部分が現像で溶解除去されるポジ型感光性樹脂であれば、上記のエッチングレジストパターン１３で覆う部分に対応して遮光部を設けたフォトマスクを使う。
【００３２】
ポジ型感光性樹脂は、高感度で解像性の高い材料が実用に供されており、例えばノボラック樹脂系のアルカリ可溶性のフォトレジストを使用できる。１色目の着色透明塗布層７１１の表面に、ポジ型感光性樹脂をスピンコート等の手段により均一に塗布、乾燥後、最終的に残したい１色目の画素部になる箇所に対応する部分を遮光し、１色目の着色透明塗布層を除去したい２色目以降の画素部を設ける予定の箇所に対応する部分を光透過部としたフォトマスクにより選択的に露光する。オンチップカラーフィルタ形成工程と同時に形成される画素領域周辺の各種パターンに関しては、詳細は省略するが、後の加工除去の必要性等に応じて、工程途中での表面の露出を避けたい箇所に対応する部分を遮光し、表面を露出したい箇所に対応する部分を光透過部として、前記フォトマスクのパターンに盛り込んでおくことができる。上記フォトマスクを用いた選択的露光の後にアルカリ溶液により現像することにより、フォトマスクパターンの遮光部に対応する部分のみにエッチングレジストパターン１３が残り、フォトマスクパターンの光透過部に対応する部分はエッチングレジストパターンの開口部１４となる。
【００３３】
ポジ型感光性樹脂を前記エッチングレジストパターンを形成する工程に使用するレジスト材料として使用することにより、レジストパターンを少ない光量の簡単な工程で良好な形状で形成することができる。また、後述のドライエッチング工程での耐性を考慮して、ドライエッチング耐性を特に補強する目的で、レジスト材料の下層に無機膜を形成しておき、無機膜をパターン形成後に、該無機膜をドライエッチングに対するマスクとして使用して、１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とのドライエッチングを良好な形状に完了させることも可能である。
【００３４】
次に、図１（ｄ）に示すように、エッチングレジストパターンの開口部１４に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去して除去部１５を設けることにより、２色目以降の画素部になる箇所を準備し、併せて遮光パターン１０を整形することができる。除去部１５を形成するためのエッチングとして、ドライエッチングが相応しい。
ドライエッチングで除去する除去部の主材料が樹脂であれば、通常のドライエッチング装置に限定されず、酸素ガスを導入するアッシング装置を用いることも可能であり、その場合には、残余のエッチングレジストパターンの除去も同装置で行うことが可能になる。また、一般的には、１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去するためのエッチングガスは、必要に応じて最適化するように切り換えることができる。加工された領域の断面形状は、ウェットエッチングに比較してドライエッチングでは、サイドエッチング等の形状不良化要因が小さく、微細パターンの加工に特に適している。
【００３５】
一例として、本例における黒色材料に、アクリル樹脂系の光硬化性樹脂にカーボンブラックを分散させた材料を用いて、フォトリソグラフィー法により図１（ａ）に示す初期遮光パターン１１を形成した後に、前述の通り、１色目の着色透明材料の塗布層７１１とエッチングレジストパターン１３とを順次形成し、ドライエッチング装置にＣＦ４ガスを流した環境下で、エッチング時間約１分程度で、図１（ｄ）に示すように、１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを選択的に除去することができる。
【００３６】
図４は、初期の遮光パターンの比較による、本発明による方法（ａ）と従来法（ｂ）との比較説明図である。それぞれの上段は一組の画素配列（ベイヤ配列）を形成するための元となる初期の遮光パターンの平面図であり、下段は平面図における一点鎖線ｘ−ｘ’に沿った断面図である。
【００３７】
従来法（ｂ）では、初めから遮光パターン１０として必要な形状のパターンを第一の平坦化膜６上に形成しておき、その後、着色透明層７の加工形成工程を行うのに対して、本発明（ａ）では、最終の遮光パターン１０とは異なり、２色目以降の画素部になる箇所にも黒色材料による遮光部を残した初期遮光パターン１１を初めに形成する。例えば、本例のベイヤ配列の着色透明パターンを採用する場合は、図４（ａ）の配列を縦方向と横方向に同一の向きに並べて複数組繰り返し配列するため、初期遮光パターンの開口部１２の周囲４方向には遮光部が隣接することになり、初期遮光パターン１１には事実上、細線が現れない形状となる。ベイヤ配列ではないパターンの場合であっても、オンチップカラーフィルタの２色目以降の画素部の形成箇所を、１色目の着色透明材料の塗布前に大柄な領域を含む初期遮光パターンで覆っておくことができるので、微細化した遮光パターンが長い工程処理に晒されて剥がれを生じる機会を減らすことができる。
【００３８】
図５は、本発明の一例について、図１に示した本発明の主要工程（ａ）〜（ｄ）の工程順以降の２色目以降の工程による製造手順を説明するための図面であって、模式平面図（上段）と、対応する位置の一点鎖線ｘ−ｘ’、またはｚ−ｚ’での模式断面図（下段）である。図５（ｄ）は図１（ｄ）と同じ図を再掲したものである。
【００３９】
本例においては、エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程（図５（ｄ））により１色目の着色透明パターン７１および除去部１５を前述のように形成終了した後に、着色透明パターンの２色目の画素部になる箇所にフォトリソグラフィー法により２色目の着色透明パターン７２を形成する工程（図５（ｅ）および（ｆ））、着色透明パターンの３色目の画素部になる箇所にフォトリソグラフィー法により３色目の着色透明パターン７３を形成する工程（図５（ｇ））、を順に実施することにより、カラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタを製造できる。
【００４０】
２色目の着色透明パターン７２を形成する工程は、先ず２色目の着色透明材料の塗布層７２１をスピンコート等の均一に塗布できる手段により形成する（図５（ｅ）参照）。２色目の着色透明材料としては、感光性を付与した材料を用いて、塗布、乾燥後、選択的露光、現像、硬化の一般的なフォトリソグラフィー法のプロセスを実施することにより、直接的にパターン形成して、図５（ｆ）のように２色目の画素部を設ける予定の箇所に位置合わせして形成することができる。なお、この際、３色目の画素部を設ける予定の箇所に塗布された２色目の着色透明材料は現像により除去され、現像除去部１６を与える。感光性を付与された２色目の着色透明材料は、現像後に熱硬化することによって、若干の収縮を伴って、１色目の着色透明パターン７１と同等の高さの２色目の着色透明パターン７２となって並んで安定に形成することができる。
【００４１】
図５（ｇ）に示すように、着色透明パターンの３色目の画素部になる箇所にフォトリソグラフィー法により３色目の着色透明パターン７３を形成する工程は、前記２色目の着色透明パターン７２を形成する工程と同様に行うことによって、３色が平面配列したベイヤ配列のオンチップカラーフィルタの着色透明層が完成する。
【００４２】
図６は、本発明の他の一例について、図１に示した本発明の主要工程（ａ）〜（ｄ）の工程順以降の２色目以降の工程による製造手順を説明するための図面であって、模式平面図（上段）と、対応する位置の一点鎖線ｘ−ｘ’、またはｚ−ｚ’での模式断面図（下段）である。図６（ｄ）は図１（ｄ）と同じ図を再掲したものである。
【００４３】
本例においては、図５により説明した例と同様の製造方法により、カラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタを製造できるが、２色目の着色透明パターン７２’および／または、３色目の着色透明パターン７３’の厚さが１色目の着色透明パターン７１より厚く、かつ、隣接した遮光パターン１０上に積層した構成を有することができる。本例の構成を実現することによって、着色透明パターンおよび遮光パターンの相互の接触面積が増大し、着色透明パターンおよび遮光パターンの製造工程での剥がれを防止できるとともに、製造後の応力等による剥がれに対しても防止効果が得られる。
【００４４】
図７は、図６に示す製造手順により形成されるオンチップカラーフィルタの平面配列の一例を説明するための模式図であって、（ａ）は一組の画素配列を示す平面図、（ｂ）は（ａ）における一点鎖線ｙ−ｙ’に沿った断面図である。図６に示したように、３色の着色透明パターンの厚さが不揃いの場合は、図７の第二の平坦化膜８の役割が特に重要になる。すなわち、第二の平坦化膜８により、３色の着色透明パターン表面の高さの不均一を解消し、上層に設けるマイクロレンズ９の下地として平坦な面を提供できる。第二の平坦化膜８の例としては、無色透明なアクリル樹脂溶液を０．２μｍの厚さに塗布形成し、必要に応じて露光、現像工程を経て、熱処理により硬化して得られる。
【００４５】
本発明のオンチップカラーフィルタを構成する遮光パターンは、隣接する画素間の光を遮断することにより、混色を防ぎ、色再現性の良好なカラー固体撮像素子を提供することに寄与するものであるが、着色画素の周囲を形状良く光量制限する機能があれば、若干の光透過性は障害にならないばかりか、位置合わせの対象パターンとして利用する上で一定の光透過性は好ましい。アライメントのための光透過率として２０％以上あることが望ましく、また、本来必要とする遮光性を考慮すると、光透過率は７０％以下が望ましい。
【００４６】
また、遮光パターンを構成する黒色材料としては、入手しやすく、塗布材料として樹脂や溶剤との調合と、ドライエッチングによる除去が容易なカーボンブラックを有することが適当である。調合結果の塗布材料が有する遮光性の性能にもよるが、パターン形状や積層構成を考慮して、過度に厚く形成することは不良欠陥を作る原因になるので、最終的な遮光パターンの厚さを０．０５〜０．３μｍとすることが望ましい。遮光パターンが薄過
ぎれば、遮光性が一般的に不充分となり、遮光パターンが厚過ぎれば、特に塗布工程でムラを生じ、パターン形成後もムラとして現れてしまう。
【００４７】
一方、本発明のオンチップカラーフィルタを構成する着色透明パターンは、複数の色を準備する必要がある。着色透明パターン形成に用いる材料は、所望の色を高い色純度と明るさで得られる着色顔料を樹脂中に分散させて塗布材料としたものが好ましい。また、本発明の製造方法より、２色目および３色目の着色透明パターンに用いる材料は、感光性を与えて、直接フォトリソグラフィー法により露光現像できるタイプが望ましい。例えば、アクリル系樹脂に光重合開始剤や溶剤を加えた光硬化タイプのネガ型レジストを用いることができる。１色目の着色透明パターンに用いる材料は、塗布形成後にエッチングレジストパターンをマスクとしてエッチングする製造方法を実施するので、着色透明材料自体には感光性は必ずしも必要ない。
【００４８】
また、本発明のオンチップカラーフィルタは、複数色の着色透明パターンの平面配置がベイヤ配列であり、１色目が緑色であることが好ましい。見かけ上の解像度を低下させずに総画素数の低減を図るベイヤ配列を採用することにより、同程度の微細化工程で比較すれば、高解像度のカラー固体撮像素子を提供できる。また、ベイヤ配列において、画素数の多い緑色を１色目に採用することにより、初期遮光パターンから加工形成する遮光パターンの剥がれや各画素の周囲で遮光パターンに積層する着色透明パターンの剥がれをさらに防止することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１・・・半導体基板
２・・・光電変換素子
３・・・配線層
４・・・絶縁層
５・・・電極パッド
６・・・第一の平坦化膜
７・・・着色透明層
８・・・第二の平坦化膜
９・・・マイクロレンズ
１０・・・遮光パターン
１１・・・初期遮光パターン
１２・・・初期遮光パターンの開口部
１３・・・エッチングレジストパターン
１４・・・エッチングレジストパターンの開口部
１５・・・除去部
１６・・・現像除去部
７１・・・１色目の着色透明パターン
７２・・・２色目の着色透明パターン
７３・・・３色目の着色透明パターン
７１１・・・１色目の着色透明塗布層
７２１・・・２色目の着色透明塗布層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に複数の光電変換素子を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、遮光パターンと複数色の着色透明パターンとを色別に順次平面配置するカラーフィルタ形成工程において、
初期遮光パターンを、着色透明パターンの１色目の画素部になる箇所が開口部となるように黒色材料により形成する工程、
１色目の着色透明材料を塗布して硬化する工程、
１色目の画素部になる箇所を全て含む領域を選択的に覆うようにエッチングレジストパターンを形成する工程、
エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程、
を含む各工程を順に実施することを特徴とするカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法。
【請求項２】
初期遮光パターンを形成する工程にドライエッチングを用いることを特徴とする請求項１に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法。
【請求項３】
エッチングレジストパターンを形成する工程に使用するレジスト材料がポジ型感光性樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法。
【請求項４】
エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程にドライエッチングを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法。
【請求項５】
エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程の後に、着色透明パターンの２色目の画素部になる箇所にフォトリソグラフィー法により２色目の着色透明パターンを形成する工程、着色透明パターンの３色目の画素部になる箇所にフォトリソグラフィー法により３色目の着色透明パターンを形成する工程、を順に実施することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法。
【請求項６】
遮光パターンの光透過率が２０〜７０％であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法により形成されるカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタ。
【請求項７】
遮光パターンを構成する黒色材料が、カーボンブラックを有し、遮光パターンの厚さが０．０５〜０．３μｍであることを特徴とする請求項６に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタ。
【請求項８】
複数色の着色透明パターンを構成する材料が、それぞれ選択した色の着色顔料を分散させた樹脂を有することを特徴とする請求項６または７に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタ。
【請求項９】
複数色の着色透明パターンの平面配置がベイヤ配列であり、１色目が緑色であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタ。
【請求項１０】
着色透明パターンが、隣接した遮光パターン上に積層した構成を有することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタ。
【請求項１】
半導体基板上に複数の光電変換素子を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、遮光パターンと複数色の着色透明パターンとを色別に順次平面配置するカラーフィルタ形成工程において、
初期遮光パターンを、着色透明パターンの１色目の画素部になる箇所が開口部となるように黒色材料により形成する工程、
１色目の着色透明材料を塗布して硬化する工程、
１色目の画素部になる箇所を全て含む領域を選択的に覆うようにエッチングレジストパターンを形成する工程、
エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程、
を含む各工程を順に実施することを特徴とするカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法。
【請求項２】
初期遮光パターンを形成する工程にドライエッチングを用いることを特徴とする請求項１に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法。
【請求項３】
エッチングレジストパターンを形成する工程に使用するレジスト材料がポジ型感光性樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法。
【請求項４】
エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程にドライエッチングを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法。
【請求項５】
エッチングレジストパターンの開口部に露出する１色目の着色透明材料とその下層の黒色材料とを除去する工程の後に、着色透明パターンの２色目の画素部になる箇所にフォトリソグラフィー法により２色目の着色透明パターンを形成する工程、着色透明パターンの３色目の画素部になる箇所にフォトリソグラフィー法により３色目の着色透明パターンを形成する工程、を順に実施することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタの製造方法。
【請求項６】
遮光パターンの光透過率が２０〜７０％であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法により形成されるカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタ。
【請求項７】
遮光パターンを構成する黒色材料が、カーボンブラックを有し、遮光パターンの厚さが０．０５〜０．３μｍであることを特徴とする請求項６に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタ。
【請求項８】
複数色の着色透明パターンを構成する材料が、それぞれ選択した色の着色顔料を分散させた樹脂を有することを特徴とする請求項６または７に記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタ。
【請求項９】
複数色の着色透明パターンの平面配置がベイヤ配列であり、１色目が緑色であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタ。
【請求項１０】
着色透明パターンが、隣接した遮光パターン上に積層した構成を有することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載のカラー固体撮像素子用オンチップカラーフィルタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−８７７７（Ｐ２０１３−８７７７Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３９２６４（Ｐ２０１１−１３９２６４）
【出願日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]