JP2017034280A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】大型の画素を有する固体撮像素子において、マイクロレンズにより感度向上を図る場合に、マイクロレンズの材料や製造工程条件を大きく変更することなく、微細画素を有する固体撮像素子の場合と同程度の集光距離に集光させて高感度化した固体撮像素子を提供すること。【解決手段】表面が多数の画素に区画され、これら画素のそれぞれに光電変換素子が配置された半導体基板と、この半導体基板の上に配置され、入射光を光電変換素子のそれぞれに集光させるマイクロレンズとを備える固体撮像素子において、１画素上の同一平面内に複数のマイクロレンズを稠密に設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子の集光に用いるマイクロレンズに関する。

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。

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。
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。このため、固体撮像素子に要求される性能で重要な課題の一つに、入射する光への感度を向上させることが挙げられる。

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光電変換素子上に形成する技術が提案されている。マイクロレンズで光を集光して光電変換素子の受光部に導くことで、受光部の見かけ上の開口率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。
図３は、着色透明樹脂層からなるカラーフィルタ画素上に１画素毎に１個の無色透明なマイクロレンズを設けて集光し、色分解した光を光電変換素子の受光部に導くカラー化した固体撮像素子の構造例を説明するための模式断面図である。
カラー化した固体撮像素子１は、半導体基板２上に規則的に設けた複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面４に、透明平坦化層５を介して、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターン８を光電変換素子３のそれぞれに対応させて複数設け、さらに第二の透明平坦化層５１により着色透明画素パターン８を配列した平面上の平坦化を行った後に、上記のマイクロレンズ６を着色透明画素パターン８および光電変換素子３に対応させて設けることにより、感度の向上を図ることができる。また、着色透明画素パターンとマイクロレンズとの位置関係を最適化することにより、撮像時の感度バラツキを低減する構造も提案されている（特許文献１参照）。

上述のマイクロレンズを形成する方法として、種々の提案がなされているが、感光性樹脂の熱溶融を伴う変形を利用する方法が主である。
例えば、マイクロレンズの素材となる透明樹脂に感光性を付与して均一に塗布し、フォトリソグラフィー法により選択的にパターン形成した後に、材料の熱リフロー性を利用してレンズ形状を作るフローレンズタイプ（特許文献２参照）や、マイクロレンズの素材となる透明樹脂の平坦層の上に、アルカリ可溶性と感光性と熱リフロー性を有するレジスト材
料を用いてフォトリソグラフィー法と熱リフローによりレンズ母型を形成し、ドライエッチング法によりレンズ母型の形状を透明樹脂層に転写する転写タイプ（特許文献３参照）がある。

特開平８−３１６４４５号公報 特開２００８−３４５０９号公報 特開２００９−１５２３１５号公報

前述のように、微細化した固体撮像素子において、マイクロレンズの集光により感度の向上を図る一方で、最近のデジタル一眼レフカメラに使用される固体撮像素子のように、画素サイズを５〜１０μｍ□程度と比較的大きくして、速いシャッタースピードに対応可能とする高感度化を図ることができる。後者の場合は、一層の高感度化を目的としているため、大型の画素を有する固体撮像素子といえども、微細化した固体撮像素子に設ける場合と同様にマイクロレンズを設けて、集光による更なる感度の向上を狙うことができる。

図４は、固体撮像素子の画素サイズが異なる場合のマイクロレンズによる望ましい集光の差異を説明するための模式断面図であって、（ａ）は、微細化した画素の場合、（ｂ）は、大型画素の場合を示す。いずれの場合も、マイクロレンズ６１、６２を設ける平面Ｍから光電変換素子３１、３２の受光面Ｊまでの距離ａ１、ａ２は、同程度である。できるだけ多くの光を受光面に集光するには、微細化した画素上に設けるマイクロレンズ６１のレンズ高さｈ１に較べて、大型画素上に設けるマイクロレンズ６２はレンズ高さｈ２を高くする必要がある。

上述の大型画素上のマイクロレンズを、広いレンズエリアで大きい凸面形状を作ってレンズ高さを高くするには、材料の粘度や熱リフロー性等の加工上の性質や製造工程条件等の最適化が必要になり、容易には達成できない。しかも、レンズ高さの高いマイクロレンズでは、熱リフローにおいて融着により隣接レンズとの独立性を保ち難くする問題や、ドライエッチング法によりレンズ母型の形状を転写する際のエッチングに長時間を要するという問題がある。上記の問題によりレンズ高さが低くなってしまうと、マイクロレンズにより集光できる率が減少するため、感度向上にあまり寄与しなくなる。また、マイクロレンズの材料の屈折率を高くできれば、曲率が小さくレンズ高さの低い偏平な形状であっても受光面への集光性は向上するが、屈折率の変更には、材料の変更が必要となり、更なる困難が伴う。さらに、マイクロレンズ６２を設ける平面Ｍから光電変換素子３２の受光面Ｊまでの距離ａ２をａ１より長く設計すれば、集光距離を長く取れるので、従来の材料と工程条件を大きく変えずに光電変換素子の受光面に集光できるものの、マイクロレンズから受光面までの間の中間層を厚く形成するための製造工程上の課題が発生する他、中間層に吸収される光を増やすことになり、本質的に固体撮像素子の感度向上に逆行するなどの問題点を伴う。

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、大型の画素を有する固体撮像素子において、マイクロレンズにより感度向上を図る場合に、マイクロレンズの材料や製造工程条件を大きく変更することなく、微細画素を有する固体撮像素子の場合と同程度の集光距離に集光させて高感度化した固体撮像素子を提供することである。

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、表面が多数の画素に区画され、これら画素のそれぞれに１つの光電変換素子が配置された半導体基板と、この半導体基板の上に配置され、入射光を光電変換素子のそれぞれに集光させるマイクロレンズと、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターンとを備える固体撮像素子において、複数の正六角形を稠密に集合した多角形の輪郭を有する画素に対して、１画素上に配列される複数のマイクロレンズが正六角形であり、かつ、２つの方向に稠密に並べ、かつ、正六角形の集合した輪郭を有する画素形状に対応して設ける着色透明画素パターンも同形状で同位置にあることを特徴とする固体撮像素子である。

本発明は、各画素に光電変換素子が配置された半導体基板と、この半導体基板の上に配置され、入射光を光電変換素子のそれぞれに集光させるマイクロレンズとを備える、大型の画素を有する固体撮像素子において、１画素上の同一平面内に複数のマイクロレンズを稠密に設けるので、マイクロレンズの材料や製造工程条件を大きく変更することなく、微細画素を有する固体撮像素子の場合と同程度の集光距離に多くの光を集光させることができ、高感度化した固体撮像素子を容易に提供することができる。

本発明の固体撮像素子における一画素上のマイクロレンズの配置例を説明するための模式平面図であって、（ａ）は、同一形状からなる一例、（ｂ）は、異なる形状からなる他の一例である。 本発明の固体撮像素子において、一画素内の集光状態の一例を説明するための模式断面図である。 マイクロレンズを用いるカラー化した固体撮像素子の従来の構造例を説明するための模式断面図である。 固体撮像素子の画素サイズが異なる場合のマイクロレンズによる望ましい集光の差異を説明するための模式断面図であって、（ａ）は、微細化した画素の場合、（ｂ）は、大型画素の場合を示す。 本発明の固体撮像素子の画素形状を変えた他の一例を説明するための模式平面図である。 本発明の固体撮像素子の製造におけるマイクロレンズ用フォトマスクの例を説明するための模式平面図であって、（ａ）は、通常の２値化フォトマスクの場合、（ｂ）は、濃度階調を設けたフォトマスクの場合を示す。 本発明の固体撮像素子の第一の製造方法を説明するための模式断面図であって、（ａ）〜（ｄ）の工程順に示す。 本発明の固体撮像素子の第二の製造方法を説明するための模式断面図であって、（ａ）〜（ｅ）の工程順に示す。 本発明の固体撮像素子の第三の製造方法を説明するための模式断面図であって、（ａ）〜（ｃ）の工程順に示す。 本発明の固体撮像素子の第四の製造方法を説明するための模式断面図であって、（ａ）〜（ｄ）の工程順に示す。

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、本発明の固体撮像素子における一画素上のマイクロレンズの配置例を説明するための模式平面図であって、（ａ）は、同一形状からなる一例、（ｂ）は、異なる形状からなる他の一例である。図１（ａ）において、凸面形状を有するマイクロレンズ６３を、画像入力の最小単位となる１画素上の同一平面内に、隣接して４つ設ける例を示す。各々のマイクロレンズは、隅の丸まった形状ではあるが、平面視で概ね矩形状の同一形状であり、隣接するマイクロレンズとの独立を損なわない程度に稠密に配置される。マイクロレンズの製造工程による差異は生じるが、マイクロレンズ間の隙間７を完全に無くすることは難しい。しかしながら、１画素上に１個の大型のマイクロレンズを設けた固体撮像素子と較べると、１画素上に複数の小型のマイクロレンズを稠密に設けた固体撮像素子の方が、マイクロレンズの材料や製造工程条件を大きく変更することなく、微細画素を有する固体撮像素子の場合と同程度の集光距離に多くの光を集光させることができ、高感度化した固体撮像素子を容易に提供できる。

図１（ｂ）において、凸面形状を有するマイクロレンズ６４、６４’、６５を、画像入力の最小単位となる１画素上の同一平面内に、隣接して、異なる形状を組み合わせて配置する例を示す。マイクロレンズ６４’は、マイクロレンズ６４の向きを変えた配置であり、マイクロレンズ６５は、マイクロレンズ６４よりさらに小さい形状で可能な限り画素上の平面の隙間を埋める配置とする。各々のマイクロレンズは、隅の丸まった形状であり、隣接するマイクロレンズとの独立を損なわない程度に稠密に配置される。マイクロレンズの製造工程による差異は生じるが、マイクロレンズ間の隙間７１を完全に無くすることは難しい。しかしながら、１画素上に１個の大型のマイクロレンズを設けた固体撮像素子と較べると、前記図１（ａ）の場合と同様に、高感度化した固体撮像素子を容易に提供できる。

図２は、本発明の固体撮像素子において、一画素内の集光状態の一例を説明するための模式断面図である。図は、半導体基板２の平面上にマトリクス配列される光電変換素子３の各々を画素として、１画素の範囲の断面を示す。画素上に、１つの光電変換素子３に一対一に対応して規則的に配列した複数色からなる着色透明画素パターン８の１つと、その上に設けた前記複数のマイクロレンズ６３が構成され、該構成を単位として、平面マトリクス状に集合した全体を固体撮像素子とする。着色透明画素パターン８の下面に透明平坦化層５を設け、着色透明画素パターン８の上面に第二の透明平坦化層５１を設けることができることは、従来と同様である。
図２において、１画素に設けた複数のマイクロレンズ６３の上方から入るブロック矢印で示す入射光９１は、それぞれのマイクロレンズを通る際に、実線矢印で示すように屈折光９２として、光電変換素子３の受光面のそれぞれ所定の位置に集光する。光電変換素子３の受光面は、図で示した１画素のピッチ幅の全長に有効に設けるものではないが、従来の１画素に一つのマイクロレンズを用いる構成の場合より、広い領域に設ける方が複数の集光点をカバーし易いので、本発明の効果を大きくできる。

図５は、本発明の固体撮像素子の画素形状を変えた他の一例を説明するための模式平面図である。例えば、固体撮像素子の１画素が、複数の正六角形を稠密に集合した輪郭を有する画素形状３５とすれば、本例では、平面視で概ね正六角形状のマイクロレンズ６０を１画素上に４つ稠密に配列することができる。前述の図１で説明したように、平面視で概ね矩形状のマイクロレンズは、隅の丸まった形状であり、マイクロレンズ間の隙間が一定程度生じる。これに対して、本例のように、平面視で概ね正六角形状のマイクロレンズを配列する方が、各頂点の角度が鈍角であるため、隅の丸みに起因するマイクロレンズ間の隙間はかなり小さくでき、結果として、マイクロレンズ間の隙間７２を小さくできる。また、正六角形の集合した輪郭を有する画素形状３５は、図のように平面内の縦方向と横方向とに一定のピッチで繰り返し配列でき、対応して設ける着色透明画素パターンも同形状で同位置に対応させて形成することができる。

上述の各種の例で説明した固体撮像素子用のマイクロレンズは、１画素上に設ける複数のマイクロレンズが、同一の透明樹脂からなり、それぞれのマイクロレンズが同一平面への集光性の高い凸面形状を有することが望ましい。例えば、マイクロレンズの素材とする透明樹脂層として、アクリル系の透明樹脂材料を用いることができる。後述のように、マイクロレンズの製造工程により、素材に用いる透明樹脂材料に感光性を与えるか、非感光
性として用いるかを選択する。

以下、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるマイクロレンズの製造工程について説明する。
図７は、本発明の固体撮像素子の第一の製造方法、すなわちマイクロレンズ工程がフローレンズタイプの製造工程を有する例、を説明するための模式断面図であって、（ａ）〜（ｄ）の工程順に示す。
図７（ａ）は、カラー固体撮像素子のマイクロレンズを設ける前の断面模式図であって、シリコン等の半導体基板２上に規則的に設けた複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、透明平坦化層５を介して、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターン８を光電変換素子３に対応させて複数設け、さらに第二の透明平坦化層５１により着色透明画素パターン８を配列した平面上の平坦化を行った後に、マイクロレンズを構成すべき透明樹脂層４０を均一に塗布形成した状態を表す。透明樹脂層４０として、アクリル系の透明樹脂材料にアルカリ可溶性と感光性と熱リフロー性を付与し、スピンコーターを用いて乾燥時の膜厚０．５〜０．８μｍに均一に塗布できる。乾燥工程にはホットプレートを用いて短時間で均一に乾燥できる。

次に、露光工程を図７（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法により、感光性の透明樹脂層４０のパターニングを行う。以下、ポジ型の感光性材料を用いる例で説明する。ポジ型の感光性透明樹脂層４０に対して、残すべき領域に対応して遮光部１１のパターンを設け、他を光透過部１２として予めパターン形成したフォトマスク１０を、正確に位置合わせし、例えば、水銀ランプ光源からの波長３６５ｎｍ光を用いるｉ線ステッパーからの平行な照射光９をフォトマスク１０の背面から照射することにより露光できる。露光条件は、使用する感光性透明樹脂層４０の膜厚、感度、また、現像液の条件等により決定する。

次に、現像工程を行って、図７（ｃ）に示すように、透明樹脂パターン４１を形成する。現像には、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用いることができる。スピン現像やパドル現像の方法により、透明樹脂層４０の現像処理を均一に進めることができ、フォトマスク１０の遮光部１１に対応する透明樹脂パターン４１を残して、他の部分を溶解除去する。

次に、図７（ｄ）に示すように、透明樹脂パターン４１を、材料の熱リフロー性を利用して熱溶融により成形することにより、マイクロレンズ６６を形成する。このように、フローレンズタイプのマイクロレンズ６６は、マイクロレンズの素材となる透明樹脂の感光性と熱リフロー性とを利用して、比較的短い工程で形成することができる。しかも、本発明のマイクロレンズは、大型の画素を有する固体撮像素子に用いるマイクロレンズでありながら、１画素上に複数の小型のマイクロレンズを稠密に設けるので、レンズ高さを大きくする必要がなく、本例のマイクロレンズの製造方法により、適正な製造条件を用いて、高感度化した固体撮像素子を容易に提供することができる。

図８は、本発明の固体撮像素子の第二の製造方法、すなわちマイクロレンズ工程がエッチング転写タイプの製造工程を有する例、を説明するための模式断面図であって、（ａ）〜（ｅ）の工程順に示す。
図８（ａ）は、カラー固体撮像素子のマイクロレンズを設ける前の断面模式図であって、前述の図７（ａ）に類似した構成であるが、図の最上層として、感光性を付与した透明樹脂層４０ではなく、非感光性の透明樹脂層４６を積層する。透明樹脂層４６は、アクリル系の透明樹脂材料を、スピンコーターを用いて乾燥時の膜厚０．５〜０．８μｍに均一に塗布できる。乾燥工程にはホットプレートを用いて短時間で均一に乾燥できる。なお、本例に使用する透明樹脂材料は、後述のドライエッチングによる転写を想定するため、ドラ
イエッチング適性の優れた材料が望ましい。
さらに、透明樹脂層４６上に、エッチングレートの異なる他の透明樹脂層を設けることもできる。エッチングレートの異なる他の透明樹脂層を積層することにより、マイクロレンズの高さの調整が可能となる。材料としては、アクリル系の透明樹脂材料を用いることができる。

次に、透明樹脂層４６上に、アルカリ可溶性と感光性と熱リフロー性を有する樹脂であるフォトレジスト材料をスピンコーターにより均一に塗布してフォトレジスト層４２を形成する。フォトレジスト層４２として、アクリル系またはノボラック系のポジ型レジスト材料をスピンコーターを用いて乾燥膜厚０．５〜０．８μｍに均一に塗布できる。乾燥は１００℃以下の低温で行う。
次に、フォトレジスト層４２を形成した基板に対して、フォトリソグラフィー法によりパターニングする。露光工程は、図８（ｂ）に示すように、ポジ型のフォトレジストを残すべき領域に対応して遮光部１１のパターンを設け、他を光透過部１２として予めパターン形成したフォトマスク１０を、対象とする基板に対して正確に位置合わせし、例えば、水銀ランプ光源からの波長３６５ｎｍ光を用いるｉ線ステッパーからの平行な照射光９をフォトマスク１０の背面から照射することにより露光できる。露光条件は、使用するフォトレジスト材料の膜厚、感度、また、現像液の条件等により決定する。

次に、現像工程を行って、図８（ｃ）に示すように、フォトレジストパターン４３を形成する。現像には、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用いることができる。スピン現像やパドル現像の方法により、フォトレジスト層４２の現像処理を均一に進めることができ、フォトマスク１０の遮光部１１に対応するフォトレジストパターン４３を残して、他を溶解除去する。

次に、図８（ｄ）に示すように、フォトレジストパターン４３を、材料の熱リフロー性を利用して熱溶融により成形することにより、レンズ母型としての凸面状の転写用マイクロレンズパターン４４を透明樹脂層４６上に形成する。本工程の熱溶融には、ホットプレート装置を用いて、例えば、１６０℃加熱後に２００℃の高温加熱を行うというステップベイキングの手法により、材料溶融時の表面張力で規制される半球面形状を良好に形成することができる。上記加熱温度が、フォトレジストパターン４３から転写用マイクロレンズパターン４４への成形に有効であるとともに、透明樹脂層４６を始めとする下層材料に悪影響を与えない条件で決める必要があることは言うまでも無い。

次に、透明樹脂層４６上に形成した転写用マイクロレンズパターン４４をエッチングレジストとして、前記透明樹脂層４６にエッチング転写し、図８（ｅ）に示すように、マイクロレンズ６７を形成する。エッチング処理の方法としては、Ｃ３Ｆ８等のフッ素系ガスによるドライエッチングを行うことができる。
ドライエッチングにより転写されるマイクロレンズ６７の断面形状は、レンズ母型とした転写用マイクロレンズパターン４４に基本的には忠実であるが、転写用マイクロレンズパターン４４の素材となるフォトレジスト層４２と、マイクロレンズ６７の素材となる透明樹脂層４６との、実際のドライエッチング条件におけるエッチレート比や、エッチング深度により種々の影響を受けて変化するので、個々のケースにより条件を調整する。

上述のエッチング転写タイプのマイクロレンズ６７は、比較的露光感度が高くて微細パターンも高精度に形成できるフォトレジスト層４２から得られるレンズ母型を用いて、高精度に形成することができる。しかも、本発明のマイクロレンズは、大型の画素を有する固体撮像素子に用いるマイクロレンズでありながら、１画素上に複数の小型のマイクロレンズを稠密に設けるので、レンズ高さを大きくする必要がなく、本例の製造方法を用いて、レンズ高さを大きくする従来の例に較べて、ドライエッチング時間を短くできる。従って、工程負荷の増大や品質の低下を招くことなく、高感度化した固体撮像素子を容易に提供することができる。

図９は、本発明の固体撮像素子の第三の製造方法、すなわちマイクロレンズ工程がフローレンズタイプではなく、濃度階調付きフォトマスクを用いる直接形成工程を有する例、を説明するための模式断面図であって、（ａ）〜（ｃ）の工程順に示す。
図９（ａ）は、カラー固体撮像素子のマイクロレンズを設ける前の断面模式図であって、前述の図７（ａ）に類似した構成であり、感光性を付与された透明樹脂層４０を最上層に有する。

次に、露光工程を図９（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法により、感光性の透明樹脂層４０のパターニングを行う。ここで、ポジ型の感光性透明樹脂層４０に対して、マイクロレンズ形状に残すべき領域に対応して濃度階調付き遮光部２１のパターンを設け、他を光透過部２２としてパターン形成した濃度階調付きフォトマスク２０を予め準備しておく。図６は、本発明の固体撮像素子の製造におけるマイクロレンズ用フォトマスクの例を説明するための模式平面図であって、（ａ）は、通常の２値化フォトマスクの場合、（ｂ）は、濃度階調を設けたフォトマスクの場合を示す。本発明の固体撮像素子の製造方法の内、前述の２例、すなわち第一の製造方法および第二の製造方法においては、図６（ａ）に示す通常の２値化フォトマスクを用い、遮光部１１の領域内は均一な遮光濃度を有するフォトマスクであった。一方、本例の第三の製造方法においては、図６（ｂ）に示す濃度階調を設けたフォトマスクを用い、遮光部２１の領域内は、例えば、各遮光部パターンの中央部が最大の遮光濃度を有し、周辺に向かうにつれて遮光性が低下するような濃度階調付き遮光部２１とする。濃度階調を適切に制御することにより、フォトリソグラフィー法における露光量の緩やかな変化を実現し、現像後に凸面形状の曲面を得ることができる。後述の第四の製造方法においても、同様の濃度階調を設けたフォトマスクを用いることができる。

なお、通常の２値化フォトマスクは、露光光に対して透明性の良好な石英やガラス等の基板表面に金属クロム等の遮光性膜による遮光部パターンを光透過部とを区別してパターン形成することにより、通常知られた方法で作製される。また、濃度階調付き遮光部２１を形成するには、前記基板上に、通常の濃度階調付きフォトマスクの製造方法を適用できる。すなわち、遮光性の金属膜等の膜厚を漸次変化させて領域内に濃度傾斜を設ける手法や、ドット（網点）配列やライン・アンド・スペースのような遮光膜の微細パターンの集合状態を変化させて、微細パターン各領域の平均的遮光濃度を傾斜させるグレートーンタイプの手法などが可能である。

図９（ｂ）に示す露光工程は、透明樹脂層４０のパターニングされるべき位置に対して、濃度階調付きフォトマスク２０を正確に位置合わせし、例えば、水銀ランプ光源からの波長３６５ｎｍ光を用いるｉ線ステッパーからの平行な照射光９をフォトマスク１０の背面から照射することにより露光できる。露光条件は、使用する感光性透明樹脂層４０の膜厚、感度、また、現像液の条件等により決定する。

次に、現像工程を行って、図９（ｃ）に示すように、透明樹脂パターンをそのままマイクロレンズ６８として形成する。現像には、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用いることができる。スピン現像やパドル現像の方法により、透明樹脂層４０の現像処理を前工程の局部的な露光量に応じて進めることができ、フォトマスク２０の濃度階調付き遮光部２１に対応する凸面形状を有するマイクロレンズ６８を残すように、他の部分を溶解除去する。

このように、フローレンズタイプではなく、濃度階調付きフォトマスクを用いる直接形
成工程によるマイクロレンズ６８は、マイクロレンズの素材となる透明樹脂の感光性を利用して、比較的短い工程で形成することができる。しかも、本発明のマイクロレンズは、大型の画素を有する固体撮像素子に用いるマイクロレンズでありながら、１画素上に複数の小型のマイクロレンズを稠密に設けるので、レンズ高さを大きくする必要がなく、本例のマイクロレンズの製造方法により、適正な製造条件を用いて、高感度化した固体撮像素子を容易に提供することができる。

図１０は、本発明の固体撮像素子の第四の製造方法、すなわちマイクロレンズ工程が濃度階調付きフォトマスクを用いるエッチング転写タイプの製造工程を有する例、を説明するための模式断面図であって、（ａ）〜（ｄ）の工程順に示す。
図１０（ａ）は、カラー固体撮像素子のマイクロレンズを設ける前の断面模式図であって、前述の図８（ａ）に類似した構成であり、図の最上層として、非感光性の透明樹脂層４６を積層する。透明樹脂層４６は、アクリル系の透明樹脂材料を、スピンコーターを用いて乾燥時の膜厚０．５〜０．８μｍに均一に塗布できる。乾燥工程にはホットプレートを用いて短時間で均一に乾燥できる。なお、本例に使用する透明樹脂材料は、後述のドライエッチングによる転写を想定するため、ドライエッチング適性の優れた材料が望ましい。さらに、透明樹脂層４６上に、エッチングレートの異なる他の透明樹脂層を設けることもできる。エッチングレートの異なる他の透明樹脂層を積層することにより、マイクロレンズの高さの調整が可能となる。材料としては、アクリル系の透明樹脂材料を用いることができる。

次に、透明樹脂層４６上に、アルカリ可溶性と感光性を有する樹脂であるフォトレジスト材料をスピンコーターにより均一に塗布してフォトレジスト層４２を形成する。フォトレジスト層４２として、アクリル系またはノボラック系のポジ型レジスト材料をスピンコーターを用いて乾燥膜厚０．５〜０．８μｍに均一に塗布できる。乾燥は１００℃以下の低温で行う。
次に、露光工程を図１０（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法により、フォトレジスト層４２のパターニングを行う。ここで、ポジ型のフォトレジスト層４２に対して、マイクロレンズ形状に残すべき領域に対応して濃度階調付き遮光部２１のパターンを設け、他を光透過部２２としてパターン形成した濃度階調付きフォトマスク２０を、図９（ｂ）に用いたものと同様に、予め準備しておく。図１０（ｂ）に示す露光工程は、フォトレジスト層４２のパターニングされるべき位置に対して、濃度階調付きフォトマスク２０を正確に位置合わせし、例えば、水銀ランプ光源からの波長３６５ｎｍ光を用いるｉ線ステッパーからの平行な照射光９をフォトマスク１０の背面から照射することにより露光できる。露光条件は、使用するフォトレジスト層４２の膜厚、感度、また、現像液の条件等により決定する。

次に、現像工程を行って、図１０（ｃ）に示すように、フォトレジストによる転写用マイクロレンズパターン４５を形成する。現像には、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用いることができる。スピン現像やパドル現像の方法により、フォトレジスト層４２の現像処理を前工程の局部的な露光量に応じて進めることができ、フォトマスク２０の濃度階調付き遮光部２１に対応する凸面形状を有する転写用マイクロレンズパターン４５を残すように、他の部分を溶解除去する。

次に、透明樹脂層４６上に形成した転写用マイクロレンズパターン４５をエッチングレジストとして、前記透明樹脂層４６にエッチング転写し、図１０（ｄ）に示すように、マイクロレンズ６９を形成する。エッチング処理の方法としては、Ｃ_３Ｆ_８等のフッ素系ガスによるドライエッチングを行うことができる。
ドライエッチングにより転写されるマイクロレンズ６９の断面形状は、レンズ母型とした転写用マイクロレンズパターン４５に基本的には忠実であるが、転写用マイクロレンズパ
ターン４５の素材となるフォトレジスト層４２と、マイクロレンズ６９の素材となる透明樹脂層４６との、実際のドライエッチング条件におけるエッチレート比や、エッチング深度により種々の影響を受けて変化するので、個々のケースにより条件を調整する。

上述の転写タイプのマイクロレンズ６９は、比較的露光感度が高くて微細パターンも高精度に形成できるフォトレジスト層４２から得られるレンズ母型を用いて、高精度に形成することができる。しかも、本発明のマイクロレンズは、大型の画素を有する固体撮像素子に用いるマイクロレンズでありながら、１画素上に複数の小型のマイクロレンズを稠密に設けるので、レンズ高さを大きくする必要がなく、本例の製造方法を用いて、レンズ高さを大きくする従来の例に較べて、ドライエッチング時間を短くできる。従って、工程負荷の増大や品質の低下を招くことなく、高感度化した固体撮像素子を容易に提供することができる。

１・・・固体撮像素子
２・・・半導体基板
３・・・光電変換素子
４・・・固体撮像素子画素部の受光面側表面
５・・・透明平坦化層
６・・・マイクロレンズ
７・・・マイクロレンズ間の隙間
８・・・着色透明画素パターン
９・・・照射光
１０・・・フォトマスク
１１・・・遮光部
１２・・・光透過部
２０・・・フォトマスク（濃度階調付き）
２１・・・濃度階調付き遮光部
２２・・・光透過部
３１、３２・・・光電変換素子
３５・・・画素形状（輪郭線）
４０・・・透明樹脂層（感光性）
４１・・・透明樹脂パターン
４２・・・フォトレジスト層
４３・・・フォトレジストパターン
４４、４５・・・転写用マイクロレンズパターン（レンズ母型）
４６・・・透明樹脂層（非感光性）
５１・・・第二の透明平坦化層
６０、６１、６２、６３、６４、６４’、６５、６６、６７、６８、６９・・・マイクロレンズ
７１、７２・・・マイクロレンズ間の隙間
９１・・・入射光
９２・・・屈折光
Ｍ・・・マイクロレンズを設ける平面
Ｊ・・・受光面
ａ１、ａ２・・・Ｍ−Ｊ間の距離
ｈ１、ｈ２・・・レンズ高さ

Claims (1)

1. 表面が多数の画素に区画され、これら画素のそれぞれに１つの光電変換素子が配置された半導体基板と、この半導体基板の上に配置され、入射光を光電変換素子のそれぞれに集光させるマイクロレンズと、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターンとを備える固体撮像素子において、複数の正六角形を稠密に集合した多角形の輪郭を有する画素に対して、１画素上に配列される複数のマイクロレンズが正六角形であり、かつ、２つの方向に稠密に並べ、かつ、正六角形の集合した輪郭を有する画素形状に対応して設ける着色透明画素パターンも同形状で同位置にあることを特徴とする固体撮像素子。