固体摄像元件及其制造方法

专利名称：固体摄像元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及以C-MOS或CCD等光检测元件为代表的固体摄像元件。
背景技术：
CCD等固体摄像元件上的光电变换元件对光电变换有贡献的区域(孔径部)依赖于固体摄像元件的尺寸和像素数，被限制在固体摄像元件的总面积的20～40％左右。孔径部小，直接导致灵敏度降低，所以为了对此进行补偿，一般在光电变换元件上形成聚光用的微透镜。
然而，近来强烈需要超过300万像素的高清晰度固体摄像元件，该高清晰度固体摄像元件附带的微透镜的孔径比降低(即灵敏度降低)、及反射光斑、模糊(スミフ)等噪声增加造成的画质降低，这成为大的问题。C-MOS或CCD等摄像元件正在接近大致足够的像素数，这些器件制造商之间的竞争正在从像素数变化到画质的竞争。
与形成微透镜的技术有关的公知技术例如被比较详细地示于日本专利特开昭60-53073号公报中。在该文献中，作为将透镜圆滑地做成半球状的技术，详细地公开了使用热作用引起的树脂的热流动性的技术、和通过几种蚀刻方法来加工透镜的技术。除此之外，作为改善透镜表面的光散射造成的聚光性能损失的对策，也公开了在透镜表面上形成聚甲基丙烯酸缩水甘油脂(ポリダリシヅルメタクリレ一トPGMA)等有机膜、或OCD(日本的东京应化工业株式会社制造的SiO2系涂层形成用涂敷液)的无机膜的技术等。
为了防止微透镜上的反射而在微透镜上形成单层或多层反射防止膜的技术，例如被公开于日本专利特开平4-223371号公报中。此外，干法蚀刻加工微透镜的技术，除了上述技术以外还在特开平1-10666号公报中也有详细记载。再者，有色微透镜(着色的微透镜)的技术被公开于日本专利特开昭64-7562号公报、特开平3-230101号公报等中。
图1A示出现有的典型固体摄像元件的一例的剖视图。如图1A所示，在光电变换元件80上，形成平坦化层81、82、滤色器83、有时还形成层内透镜等，一般具有5～6μm左右的较大的(厚的)透镜下距离D1。
此外，图1B示出现有的固体摄像元件的另一例(配设有色透镜90)的剖视图。通过兼具滤色器功能的有色透镜90，能够简化固体摄像元件的结构。
然而，在现有的固体摄像元件中，例如有下述问题。
第1，在现有的固体摄像元件的结构中，难以减小透镜下距离。即，在图1A中，提高来自微透镜85的入射光的聚光性、且提高光电变换元件80的S/N(信号/噪声)比的有力手段是使透镜下距离D1变小(变薄)。但是，如果单纯地使微透镜85的厚度(透镜高度D2)变薄，则在利用热流动来制造微透镜的方法中，难以形成略半球状，不能制造合适的微透镜。
该问题在因功耗小、且与驱动电路一体化而能够节省空间而最近引人注目的C-MOS摄像元件中特别显著，。这是因为，在C-MOS摄像元件的构造中，从微透镜到光电变换元件的距离往往很大，这是对减小上述透镜下距离D1不利的结构。
第2，在现有的结构中存在光的有些入射位置导致饱和度降低、画质降低的问题。即，在图1B中，入射到有色透镜90的中央附近的光L1透过足够厚的有色透镜，所以对其透射光L3大致可望得到达到目的的滤色效果。与此相反，从有色透镜90的端部入射的光L2透过作为滤色器的有色透镜的薄的部分，所以其透射光L4成为相当发白的颜色，结果大大降低饱和度。

发明内容
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供一种固体摄像元件及其制造方法，能够减小透镜下距离，改善聚光性、S/N比，能够使微透镜的实质厚度为0.5μm以上，能够抑制有色透镜中的饱和度降低，提高孔径比。
本发明的第1视点是一种固体摄像元件，具备二维配置的多个光电变换元件、和分别覆盖上述光电变换元件的多个略半球形状的微透镜，其中，上述微透镜是多层构造透镜，至少具有透明树脂上部层，形成上述略半球形状的至少一部分；以及着色下部层，被设在上述透明树脂上部层的上述光电变换元件一侧，与该透明树脂上部层之间的界面具有沿上述光电变换元件的表面的形状。
本发明的第2视点是一种固体摄像元件制造方法，该固体摄像元件具备二维配置的多个光电变换元件、和分别覆盖上述光电变换元件的多个略半球形状的微透镜，其中，该固体摄像元件制造方法具备下述步骤在二维配置于半导体衬底上的多个光电变换元件上形成平坦化层；在上述平坦化层上，用以色素为色材的感光性着色抗蚀剂，通过光刻来形成多种颜色的着色下部层；在上述多种颜色的着色下部层上，通过涂敷第一树脂涂敷液来形成透明树脂上部层；用具有碱可溶性、感光性、及热流动性的透镜材料，在上述透明树脂上部层上，通过光刻及热处理来形成透镜母模；在上述透镜母模上进行干法蚀刻，至少向上述透明树脂上部层上转印上述透镜母模图形，形成至少具有上述透明树脂上部层和上述着色下部层的上述微透镜。


图1A示出现有的典型固体摄像元件的一例的剖视图。图1B示出现有的固体摄像元件的另一例(配设有色透镜90)的剖视图。
图2A示出第1实施方式的固体摄像元件1的俯视图。图2B示出沿图2A的A-A线的剖视图。
图3A至图3C是固体摄像元件1的制造方法的说明图。
图4是第2或第3实施方式的固体摄像元件的一例的微透镜一侧的俯视图，是拜耳(Bayer)排列中的着色下部层及微透镜的二维(平面)排列示意图。
图5A示出固体摄像元件20的沿图4的A-A线的剖视图。图5B示出作为第2实施方式的另一例的、固体摄像元件20的沿图4的A-A线的剖视图。
图6A至图6C是固体摄像元件20的制造方法的说明图。
图7是用第2实施方式的方法制造的固体摄像元件20的沿图6的B-B线的剖视图。
图8A至图8C是固体摄像元件20的制造方法的说明图。
图9是第3实施方式的固体摄像元件30的沿图4的A-A线的剖视图。
图10A至图10C是固体摄像元件30的制造方法的说明图。
图11示出第3实施方式的固体摄像元件30的沿图4的B-B线的剖视图。
图12A是第4实施方式的固体摄像元件的一例的微透镜一侧的俯视图，是拜耳排列中的着色下部层及微透镜的二维(平面)排列图。图12B示出第4实施方式的固体摄像元件40的沿图4的A-A线的剖视图。
图13是微透镜41的放大图，是着色下部层10b的膜厚的说明图。
图14是第4实施方式的固体摄像元件40的效果的说明图。
图15A至图15G是固体摄像元件40的制造方法的一实施例的工序图。
图16是第5实施方式的固体摄像元件50的一例的微透镜一侧的俯视图，是表示拜耳排列中的滤色层及微透镜的二维(平面)排列的图。
图17示出沿图16的B-B线的剖视图。
图18示出沿图16的A-A线的剖视图。
图19A至图19C是固体摄像元件50的制造方法的说明图。
具体实施例方式
以下，根据附图来说明本发明的各实施方式。在以下说明中，对具有大致同一功能及结构的构件附以同一标号，只在必要的情况下进行重复说明。
(第1实施方式)图2A示出第1实施方式的固体摄像元件1的俯视图。此外，图2B示出沿图1的A-A线的剖视图。首先，参照图2A及图2B来说明固体摄像元件1的结构。
如图2A、图2B所示，固体摄像元件1具备微透镜10、半导体衬底11、光电变换元件13、遮光层16、平坦化层15。
半导体衬底11是用于安装光电变换元件13等的衬底。光电变换元件13将经由微透镜10入射的光变换为电荷。平坦化层15使微透镜10的安装面平坦化。
微透镜10是半球形状，具有形成该透镜10的上部的半球状透明树脂上部层10a、形成透镜10的下部的着色下部层10b。透明树脂上部层10a和着色下部层10b之间的边界是沿光电变换元件13的表面的形状，即呈平坦状。该平坦面的面积对应于着色下部层10b的有效面积(有聚光功能的表面)的一部分。此外，在图2B的例子中，着色下部层10b的一部分如图2B所示形成微透镜10的半球形状的一部分。这样，着色下部层10b最好形成微透镜10的半球形状的一部分。
透明树脂上部层10a的厚度T1没有特别的规定，但是最好在由热流动形成的下限厚度0.4μm以上。此外，本实施方式以微细的像素间距为对象，所以透明树脂上部层10a的厚度T1的上限最好是约1μm。
着色下部层10b的厚度T2可以是作为目的的分色所需的滤色膜厚，没有特别限定的意思。一般，在0.5μm～1.5μm的范围内就能够应付了。从分色的观点来看，着色下部层10b和透明树脂上部层10a之间的平坦界面最好在像素尺寸允许的范围内且尽量宽广。
其中，着色下部层10b也可以将有机颜料做为色材进行着色，但是最好用染料进行着色(色材表示包含着色剂的材料)。其理由是，在使用有机颜料的情况下，干法蚀刻的蚀刻速率因有机颜料的种类而异，透镜形状容易根据每种颜色来变化；其表面形状为粗面；在作为本实施方式的对象像素间距微细的摄像元件中，颜料自身的粒径(颗粒)容易对S/N比造成恶劣影响，其着色抗蚀剂(レヅスト)材料的滤除(异物除去)也很难。
如果作为色材包含有机颜料的着色层进行很深的蚀刻，则其表面变得很粗糙，如果将成为该粗面的着色下部层的一部分作为微透镜，则难以保持微透镜形状。如果蚀刻前的各色的着色下部层的膜厚有差异，则要通过干法蚀刻工序来最终调整膜厚，被干法蚀刻的着色下部层的厚度也必然增加。因此，为了使蚀刻表面的粗面化处于能够容许的范围内，将各色的着色下部层的厚度之差限制在0.3μm以内即可。该多个着色下部层的膜厚之差越大，则越能够得到透镜形状好的微透镜。
为了尽可能不减少入射到光电变换元件的入射光量，透明树脂上部层10a和着色下部层10b之间的折射率差最好尽量小。此外，为了减小其表面反射，透明树脂上部层10a的折射率最好是更低的折射率。从这些观点来看，也可以向透明树脂上部层10a和着色下部层10b之间的界面中插入降低反射的光学薄膜。在此情况下，透明树脂上部层10a和光学薄膜的界面无需平坦，但是光学薄膜和着色下部层10b的界面必须平坦。此外，也可以在微透镜10的整个表面上层叠反射防止膜。从与高折射率的情况相比、低折射率的透明树脂上部层10a能够将膜厚形成得更厚这一点来看，也可以说，在具有微细像素的本固体摄像元件1中也最好具有层叠反射防止膜的结构。
微透镜10是通过使用透镜母模的干法蚀刻来形成。在使用该透镜母模的干法蚀刻中，有透镜之间的凹部往往容易蚀刻的倾向，容易使微透镜的完工形状恶化。为了缓解这个问题，最好在干法蚀刻前，预先用膜厚0.05μm～0.3μm前后的透明树脂薄膜层来覆盖整个透镜母模。通过插入该工序，能够实施更顺利的透镜母模转印。
此外，在本固体摄像元件1的制造中，为了减小透镜下距离，尽可能增大干法蚀刻的深度。此时，如果进入到着色下部层的基底层(即平坦化层15)，则着色下部层的平坦面(有效面)减小。因此，来自微透镜周边的饱和度降低了的入射光量增加，导致画质降低。因此，干法蚀刻的深度最好达到着色下部层的厚度方向的途中，如果使不蚀刻不到的着色下部层剩下0.4μm左右、最好0.7μm，则能够抑制饱和度的降低。
干法蚀刻通常使用O2气，但是如果将有还原性的氟系气体用作蚀刻气体，则能够用狭隙来转印透镜母模，所以容易确保透镜形状。可以使用的氟系气体有CF4、C2F6、C3F8、C4F8、CHF3、C2HF5等。可以使用它们中的一种或组合多种来使用。特别是如果C或H的比率相对于F的比率增大，则对保持狭隙很有效。更具体地说，最好是以CF4为基本气体、向其中添加少量C3F8、C4F8等而成的混合气体。但是，为了得到最佳的透镜形状和透镜间隙，蚀刻气体的组成依赖于所使用的干法蚀刻装置的部分较多，因此并不限定气体组成。
在透明树脂上部层10a采用丙烯系树脂的情况下，从粘合力和折射率等来看，感光性着色抗蚀剂的树脂最好是丙烯系的感光性树脂。染料可以是溶入感光性着色抗蚀剂的主溶剂中的形式，可以是染料分散的形式，或者也可以是编入树脂骨骼中的、所谓的悬浮(ペンダント)的形式。
并且，使用染色槽的一般染色方法，由于工序数增加，所以从成本的观点来看不理想。以染料为色材的滤色器在着色抗蚀剂的阶段能够进行0.2μm～0.1μm的较高程度的滤除(异物除去)，所以与将滤除限度为1μm～0.5μm的有机颜料分散而成的着色抗蚀剂相比，能得到具有很高的画质、大大提高了信噪比的摄像元件。
染料有偶氮系、呫吨鎓(キサンテイニゥム)系、酞花青系、蒽醌系、香豆素系及苯乙烯系等。可以使用红、绿、蓝的三原色染料或青、品红、黄的补色系染料，再加上绿色。
(制造方法的第1实施例)接着，详细说明本固体摄像元件1的制造方法的例子。
图3A至图3C是固体摄像元件1的制造方法的说明图。
如图3A所示，在形成了光电变换元件13和遮光膜、钝化层(均未图示)的半导体衬底11上，用热固性的丙烯树脂涂敷液通过旋涂来形成平坦化层15。进而，使用R(红)、G(绿)、B(蓝)的各感光性着色抗蚀剂，通过3次光刻来形成着色下部层10b。R(红)、G(绿)、B(蓝)各个感光性着色抗蚀剂用旋涂的手法来涂敷，曝光使用步进曝光机。
接着，如图3B所示，在着色下部层10b的R(红)、G(绿)、B(蓝)上，用热固性丙烯树脂涂敷液通过旋涂来形成透明树脂上部层10a。
在透明树脂上部层10a上，进一步同样通过旋涂来涂敷具有热流动性的感光性丙烯系树脂，使其曝光，显影，进而使其热流动来形成半球状的透镜母模19。热流动处理时的温度例如设为190℃。其后，在整个透镜母模19上形成与形成透明树脂上部层10a时使用的相同的丙烯系树脂涂敷液，使得干燥后的膜厚为约0.1μm，作为透明树脂薄膜层(未图示)。
接着，用干法蚀刻装置通过O2气对形成了透镜母模19的半导体衬底11进行蚀刻处理。该蚀刻处理在衬底温度为常温、压力为5Pa、RF功率为500W、偏置为100W的条件下执行，得到图3C所示的固体摄像元件1。其中，也可以在形成的微透镜10上层叠反射防止膜。
在上述制造例中，透明树脂上部层10a、着色下部层10b、及平坦化层15的树脂材料使用光波长550nm、折射率在1.51～1.55的范围内、具有大致相同的折射率的丙烯树脂。此外，着色下部层10b由于其中包含的色材的关系，比较难以精确地测定折射率，但是R(红)的700nm上的折射率是1.61(R(红)对550nm绿光的吸收大，所以难以在550nm上精确地测定折射率)。
进而，在形成着色下部层10b的R(红)、G(绿)、B(蓝)时，使用以颜色索引号分别是C.I.Acid Red 1 14、C.I.Acid Green 16、C.I.AcidBlue 86的染料为中心的色材与丙烯系树脂、环己酮溶剂一起调制而成的丙烯系的感光性着色抗蚀剂。色材的添加量在抗蚀剂中的固体比分别为约20％。
通过这种制造方法得到的固体摄像元件1如图3C所示，在半导体衬底11上形成了光电变换元件13、由着色下部层10b以及透明树脂上部层10a构成的微透镜10。根据发明人的实验，得到的固体摄像元件1的透明树脂上部层10a的峰值厚度(中央部的厚度)T1是0.6μm，包含到着色下部层10b的透镜形状刻痕部分的深度在内的微透镜10的厚度T5是约1.1μm。此外，着色下部层10b单独的厚度T2是0.9μm，透镜下距离(从着色下部层10b到光电变换元件13的距离)是约3.4μm。现有的透镜下距离是5.5μm，而在本固体摄像元件1中，可以是它的约60％，极小。其中，在本实施例中，微透镜的间距设为3.5μm，透镜间的间隙设为0.3μm。
(制造方法的第2实施例)接着，详细说明本固体摄像元件1的制造方法的另一例。
除了干法蚀刻用添加了80％的CF4气、20％的C3F8气而成的干法蚀刻气体来取代O2气进行蚀刻外，通过与上述实施例1同样的方法制造了本固体摄像元件1。
通过这种制造方法得到的固体摄像元件1如图3C所示，在半导体衬底11上形成了光电变换元件13、由着色下部层10b和透明树脂上部层10a构成的微透镜10。根据发明人的实验，得到的固体摄像元件1的透明树脂上部层10a的峰值厚度(中央部的厚度)T1是0.4μm，包含到着色下部层10b的透镜形状刻痕部分的深度在内的微透镜10的厚度T5是约0.61μm。此外，着色下部层10b单独的厚度T2是0.8μm，透镜下距离(从着色下部层10b到光电变换元件13的距离)是约2.5μm。现有的透镜下距离是5.5μm，而在本固体摄像元件1中，可以是它的约45％，极小。其中，在本实施例中，微透镜的间距设为2.7μm，透镜间的间隙设为0.05μm。
如上所述，根据本实施方式的固体摄像元件1及其制造方法，至少能够得到下面几个效果。
第1，能够减小透镜下距离，与以往相比，能够提高聚光性、信噪比。这是因为，本固体摄像元件1是透明树脂上部层10a和着色下部层10b的至少2层构造，而且透明树脂上部层10a和着色下部层10b的界面具备沿光电变换元件13的表面形状(在本实施方式的例子中，是沿水平形状)的微透镜10。因此，通过将着色下部层10b包含在微透镜10内，能够使在透镜下部设置的层为最小限度。
第2，即使是像素间距小的固体摄像元件也能够容易地加工。这是因为，本固体摄像元件1通过减小透镜下距离，能够使微透镜10的实质厚度为0.5μm以上。如果是该厚度，则容易通过热流动来形成略半球状的透镜形状。
其中，根据发明人的实验，做成薄至0.4μm以下的透镜状极其困难，例如在3μm间距的像素的情况下，考虑批量生产性的微透镜的膜厚的限度是0.4μm，在0.3μm时，不成为略半球状，而成为台状。与此相反，在像本固体摄像元件这样使微透镜10的实质厚度为0.5μm以上的情况下，能够容易地形成略半球形状。
第3，能够抑制有色透镜中的饱和度的降低，提高孔径比。这是因为，本固体摄像元件1的着色下部层10b与透明树脂上部层10a之间的界面是沿光电变换元件13的表面形状(在本实施方式的例子中，是沿水平形状)的形状，与以往相比，有效面积大。
第4，即使像素间距小，也能够容易地制造透镜下距离小、改善了聚光性、信噪比、抑制了有色透镜中的饱和度降低、提高了孔径比的固体摄像元件。这是因为，该固体摄像元件制造方法具备下述工序在光电变换元件上形成多种颜色的着色下部层；在该多种颜色的着色下部层上形成透明树脂上部层；在透明树脂上部层上形成透镜母模；在该透镜母模上，进行干法蚀刻，向透明树脂上部层和着色下部层上转印透镜母模图形。
(第2实施方式)图4是第2实施方式的固体摄像元件20的俯视图。图5A示出固体摄像元件20的沿图4的A-A线的剖视图。如图5A所示，固体摄像元件20具备半导体衬底11、光电变换元件13、微透镜10、遮断层16、平坦化层15。
微透镜10具有透明树脂上部层10a、着色下部层10b。可以向透明树脂上部层10a、及平坦化层15赋予红外线吸收功能。通常，在面向数字摄像机或手机的固体摄像元件的光学系统中包含厚度为2mm左右的红外线截止滤色器，但是通过向透明树脂上部层10a或平坦化层15赋予红外线吸收功能，能够从光学系统中除去红外线截止滤色器。
此外，如图5B所示，也可以具有将紫外线吸收层14配置在平坦化层15和着色下部层10b之间的结构。
近来，正在推进固体摄像元件的微细化，像素(或微透镜)正在成为3μm间距以下、或2μm间距以下的极其微细的区域。在这些微细的像素中，图形形状的裂纹生成(ビリツキ)以斑驳(ムラ)的形式对画质产生不良影响。
为了防止造成图形形状的断裂的、来自基底的光的反射(步进曝光装置(曝光波长为265nm的紫外线)的再反射光)，最好预先形成具有紫外线吸收功能的层作为着色下部层的基底，可以在平坦化层15上形成紫外线吸收层14，也可以使平坦化层15具有紫外线吸收功能。只要能够在着色下部层10b的基底上形成具有紫外线吸收功能的层即可，也可以使平坦化层14兼有紫外线吸收功能。
紫外线吸收层14是在形成红外线吸收层的工序、和形成透镜母模的工序之间插入通过涂敷来形成紫外线吸收层的工序而制造的。通过这样在制造工序中设紫外线吸收层，能够防止步进曝光装置中的光晕，形成高精度的微透镜图形。此外，能够赋予保护耐光性比较低的红外线吸收层免受紫外线照射的功能。
紫外线吸收层14可以使用丙烯树脂、环氧树脂、聚酯树脂、氨基甲酸乙酯树脂、三聚氰酰胺树脂、尿素树脂、苯乙烯树脂、酚醛树脂、或它们的聚合物等透明树脂。
其中，紫外线吸收层14的对象是固体摄像元件的制造过程中使用的i线(365nm)、和使用安装了固体摄像元件的摄像机时的外光中包含的紫外线。紫外线吸收层14对前者，防止i线(365nm)的光晕来确保透镜母模的图形形状。对后者，吸收它来防止红外线吸收层的功能恶化。
此外，紫外线吸收功能可以是用添加或悬浮(以反应型紫外线吸收剂等形式编入树脂分子链中)方式将紫外线吸收性化合物或紫外线吸收剂施加到上述透明树脂或平坦化层形成树脂中。可以使用的紫外线吸收剂有苯并三唑系化合物、二苯基甲酮系化合物、水杨酸系化合物、香豆素系化合物等。也可以向这些紫外线吸收剂中例如添加受阻胺(ヒンダ一ドミン)系化合物等光稳定剂或猝灭剂(例如单线态氧猝灭剂)。此外，也可以利用氧化铈或氧化钛等金属氧化物微粒的紫外线吸收剂。
微透镜10具有透明树脂上部层10a、和着色下部层10b。透明树脂上部层10a及平坦化层15具有红外线吸收功能。因此，该固体摄像元件20无需红外截止滤色器。因此，不损害彩色重现性，而透镜下距离比以往短。
透明树脂上部层10a及平坦化层15中可以使用的红外线吸收剂有葸醌系化合物、酞花青系化合物、花青系化合物、聚甲烯系化合物、铝系化合物、二亚基氨(ヅィモニウム)系化合物、亚基氨(イモニゥム)系化合物、偶氮系化合物等。
此外，红外线吸收功能可以是用添加或悬浮(以反应性染料等反应型红外线吸收剂等形式编入树脂分子链中)方式将红外线吸收性化合物或红外线吸收剂施加到上述透明树脂中。
其中，许多红外线吸收剂的吸收波段被限定，难以用1种红外线吸收剂来覆盖C-MOS或CCD等光电变换元件所要求的近红外及红外波段(例如650nm～1100nm)的全部区域。因此，最好混合2种至6种左右的多种红外吸收剂，或者将1个构件做成多层来使用。
此外，为了确保可见区域(400nm～700nm)的透射率，同时赋予足够的红外线吸收功能，最好使C-MOS或CCD等光电变换元件上包括的多个构件分担红外线吸收功能。例如，最好进行使不同构件含有同一红外线吸收剂来强化红外线吸收功能、或者使各个不同的构件含有吸收波段不同的红外线吸收剂等处理，来分担红外线吸收功能。再者，也可以考虑红外线吸收剂具有的耐热性，选择使哪个构件含有。
再者，在使着色下部层10b具有红外线吸收功能时，最好吸收波段不同，即调节红外线吸收剂的种类及含量来含有。这是因为，在光电变换元件13上包括的原色(RGB)系、或补色(YMC)系的三原色的滤色层中，红外区域的分光特性(吸收)因每种颜色而异。
形成微透镜10时的干法蚀刻的深度、使用的气体的条件及着色下部层10b所使用的着色树脂的条件与前述实施方式相同。此外，为了减小非孔径部25，提高微透镜10的孔径比，或者为了提高红外线吸收功能，也可以在微透镜10上通过涂敷来层叠红外线吸收层的薄膜。
为了减轻来自微透镜10的表面或非孔径部的入射光的再反射，最好在微透镜10上、或上述红外线吸收层的薄膜上进一步形成低折射率树脂的薄膜。此外，为了吸收微透镜的表面反射的杂散光，尽量减少固体摄像元件中产生的噪声(在此情况下是反射光的再入射)，也可以在微透镜10间露出的非孔径部25(图4)上层叠折射率低的材料的薄膜。
(制造方法的第1实施例)接着，详细说明本固体摄像元件20的制造方法的例子。
图6A至图6C是固体摄像元件20的制造方法的说明图。
如图6A所示，在形成了光电变换元件13及遮光层16的半导体衬底11上形成平坦化层15后，使用R(红)、G(绿)、B(蓝)3色的彩色抗蚀剂，通过使用步进曝光装置的公知的光刻，依次形成3色的着色下部层10b。各个着色下部层10b的膜厚例如设为0.9μm～0.8μm。
其中，着色下部层10b的R(红)、G(绿)、B(蓝)可以分别使用以有机颜料为色材的日本的东洋墨水制造株式会社制造的彩色抗蚀剂。本实施例1的颜色排列为所谓的拜耳排列一个像素由2个G(绿)和1个R(红)、1个B(蓝)合计4个元件构成。其中，图6是固体摄像元件20的一例的微透镜一侧的俯视图，而且是拜耳排列中的滤色层及微透镜的二维(平面)排列图。
接着，如图6B所示，在着色下部层10b上用包含3种红外线吸收剂的树脂涂敷液来形成1μm膜厚的红外线吸收层26。进而，通过旋涂来涂敷具有热流动性的感光性酚醛树脂，使其曝光、显影、热流动来形成半球状的透镜母模19。此时的热流动的温度例如是200，透镜母模19的厚度(透镜高度)是0.7μm。
其中，在本实施例中，具有红外线吸收功能的树脂涂敷液使用使100重量份的热固性丙烯树脂、合计20重量份的日本的山本化成株式会社制造的3种红外线吸收剂YKR3080、YKR3030、YKR200溶解到环己酮溶剂等有机溶剂中而成的树脂涂敷液。
接着，如图6C所示，用干法蚀刻装置通过O2气对形成了透镜母模19的半导体衬底11进行蚀刻处理(白箭头)。在衬底温度为常温、压力为1Pa、RF功率为500W、偏置为50W的条件下进行处理，向下方的红外线吸收层上完全转印透镜母模19，形成具有红外线吸收功能的透明树脂上部层10a。
其中，通过使用蚀刻速率不同的树脂材料，例如使透镜母模19的材料采用酚醛系树脂等蚀刻速率慢的树脂(或者使下方的红外线吸收层的树脂采用蚀刻速率快的材料)等，能够使微透镜的形状符合最佳的光学特性。
(制造方法的第2实施例)接着，详细说明本固体摄像元件20的制造方法的另一例子。
图7是用本第2实施例的方法制造的固体摄像元件20的沿图6的B-B线的剖视图。如该图所示，固体摄像元件20在形成了光电变换元件13的半导体衬底11上，通过涂敷来层叠平均厚度为0.6μm的具有红外线吸收功能的平坦化层15、和0.5μm的紫外线吸收层14。进而，以厚度0.9μm来形成使用基于反应性染料的色材的3色的着色下部层10b。其中，图7是拜耳排列、即沿图6中的B-B线的剖面，所以只显示了G(绿)像素。
此外，在着色下部层10b上，进一步分别以约0.1μm的厚度用旋涂的手法形成了红外线吸收层的薄膜26及低折射率树脂27的薄膜。在微透镜10间的凹陷的部分，红外线吸收层的薄膜略厚，为0.5μm左右。这如后所述，是通过干法蚀刻在滤色层的色间预先形成了深度为大约0.4μm的凹陷的效果。
图8A至图8C是固体摄像元件20的制造方法的说明图。首先，如图8A所示，在半导体衬底11上，都用旋涂的手法通过涂敷来形成具有红外线吸收功能的平坦化层15及紫外线吸收层14。这些层的硬膜例如用230℃的热板来进行。进而，用以染料为色材的彩色抗蚀剂(丙烯感光性树脂基体)，通过与实施例1相同的光刻，依次形成3色的着色下部层10b。
接着，与实施例1同样，在形成红外线吸收层26及透镜母模19后，通过干法蚀刻来转印透镜母模作为微透镜。在此情况下，蚀刻到着色下部层10b的一部分。在着色下部层10b的像素间，形成深度为大约0.4μm的凹陷28。
接着，如图8B所示，形成膜厚为大约0.1μm(微透镜间凹陷变厚)的红外线吸收层的薄膜26。进而，如图8C所示，通过涂敷来形成膜厚为大约0.1μm的低折射率树脂27(氟系丙烯树脂，折射率为1.45)。通过层叠低折射率树脂27，与没有该低折射率树脂27的结构(例如图8B的结构)相比，能够使光的反射率降低大约2％(即光的透射率增加2％)。
如上所述，根据本实施方式的固体摄像元件20及其制造方法，至少能够得到下面几个效果。
第1，固体摄像元件20的透明树脂上部层10a及平坦化层15具有红外线吸收功能，所以无需现有的红外截止滤色器，能够容易地使摄像机小型化。
第2，将红外线吸收波段不同的多种红外线吸收剂分割给各构件来赋予吸收性能，所以能够对固体摄像元件20毫不费力地任意设定宽带的红外线吸收功能。除此之外，具有能够根据红外线吸收剂各自的耐热性和耐光性将其配设在最佳场所的优点。
第3，用干法蚀刻将透镜母模19转印到红外线吸收层26上，所以能够提供光利用效率高的薄膜结构的固体摄像元件。此外，蚀刻进入到着色下部层10b的一部分，所以能够进一步薄膜化，能够提供画质更高的固体摄像元件。
第4，通过向微透镜10的表面、或着色下部层10b的基底赋予紫外线吸收功能，能够使其具有保护耐光性略微缺乏的红外线吸收剂的效果。
第5，通过在微透镜10的表面及非孔径部上形成低折射率树脂的薄膜，能够减少反射光，能够改善固体摄像元件的画质。一般，来自微透镜、或红外线吸收层的薄膜的表面的反射光成为来自固体摄像元件的覆盖玻璃的再反射光而再入射到固体摄像元件中，成为噪声，成为画质降低的原因。然而，本固体摄像元件20能够减轻这种噪声，所以能够得到高画质。
第6，透明树脂上部层10a及平坦化层15具有红外线吸收功能，能够制造不需要现有的红外截止滤色器的固体摄像元件20。这是因为，上述制造方法具备下述工序在半导体衬底11的光电变换元件13上形成具有红外线吸收功能的平坦化层15；形成着色下部层10b；形成红外线吸收层26；通过光刻及热处理来形成透镜母模19；进行干法蚀刻，向红外线吸收层26上转印透镜母模图形，将红外线吸收层26作为透明树脂上部层10a。
(第3实施方式)图9示出第3实施方式的固体摄像元件30的沿图4的A-A线的剖视图。首先，参照图9来说明固体摄像元件30的结构。
如图9所示，固体摄像元件30具备微透镜10、半导体衬底11、光电变换元件13、平坦化层15、遮断层16、外部树脂层31。
如图9所示，微透镜10的厚度T5是透明树脂上部层10a的厚度T1和形成微透镜的一部分的着色下部层的厚度T4(到着色下部层10b的透镜形状刻痕部分的深度)的合计(T5＝T1+T4)。
具体的透明树脂上部层10a的理想的厚度T1、着色下部层10b的理想的厚度T2、及树脂上部层10a与着色下部层10b之间的界面的理想面积与前述实施方式相同。
与微透镜10的下部相当的部分S的着色下部层10b的表面为将透明树脂上部层10a的表面的曲面延长了的曲面，这一点也与第1实施方式相同。
外部树脂层31是与微透镜10的下部相当的部分——S的着色下部层10b上形成的薄膜。该外部树脂层31最好是具有比着色下部层10b的折射率低的折射率的透明树脂材料(低折射率树脂)。此外，外部树脂层31的膜厚最好涂敷形成为用着色下部层和低折射率树脂容易得到基于光干涉的反射防止效果的膜厚。这是因为，着色下部层10b包含用于此的色材(颜料或染料)，所以在光学上其折射率容易提高。通过该反射防止效果，能够减轻来自非孔径部25的反射光的影响，防止再入射光使画质降低。
此外，为了减小其表面反射，微透镜10的一部分——透明树脂上部层10a的折射率最好是更低折射率。再者，从增加透射光量的观点来看，也可以向透明树脂上部层和着色下部层之间的界面中插入降低反射的光学薄膜。此外，也可以在微透镜10的整个表面上层叠反射防止膜。低折射率的透明树脂上部层10a能够将膜厚形成得比高折射率的情况厚，所以在以微细像素为对象的本发明中，可以说很理想。
透明树脂上部层10a由低折射率树脂——氟系丙烯树脂来形成。由此，能够减轻微透镜10上的反射光。
一般，半径为r的透镜的焦距f由下式(1)来表示。
f＝n1/(n1-n0)·r(1)这里，r表示球面的半径，n0表示空气的折射率，n1表示透镜的折射率。例如，折射率n1＝1.61的透镜在空气媒质(折射率n0＝1)中具有2.64r的焦距。
如上所述，形成膜厚在0.4μm以下的半球状的微透镜一般很难。但是，如果用折射率在1.5以下、最好是1.40～1.45的范围内的低折射率的透明树脂来形成透明树脂上部层10a，则能够稳定地形成厚的半球状的微透镜10。例如，如果使用折射率为1.43的透明的氟系丙烯树脂，则能够以1.25倍的0.5μm的膜厚来形成0.4μm膜厚的。
其中，与形成微透镜10时的干法蚀刻的深度、使用的气体的条件及着色下部层10b所使用的着色树脂、形成着色下部层10b时使用的感光性着色抗蚀剂的树脂、染料有关的条件与前述实施方式相同。
(制造方法的实施例)接着，详细说明本固体摄像元件30的制造方法的例子。
在本实施例的固体摄像元件30中，将透明树脂上部层10a的峰值厚度T1(从底面到中央部顶点的高度)设为0.3μm，它和到着色下部层10b的透镜形状刻痕部分的深度的合计T5设定为约0.8μm。此外，着色下部层10b单独的厚度T2设为0.9μm。通过这种设定，透镜下距离极小，为约3.1μm，为现有5.5μm的大约56％。
此外，在形成着色下部层10b的R(红)、G(绿)、B(蓝)时，使用以染料索引号分别是C.I.Acid Red 114、C.I.Acid Green 16、C.I.AcidBlue 86的染料为中心的色材与丙烯系树脂、环己酮溶剂一起调制而成的丙烯系的感光性着色抗蚀剂。色材的添加量在抗蚀剂中的固体比分别为例如约20％。
图10A至图10C是固体摄像元件30的制造方法的说明图。首先，如图10A所示，在半导体衬底11上形成光电变换元件13或遮光膜16、钝化层。在该半导体衬底11上，用热固性丙烯树脂涂敷液通过旋涂来形成平坦化层15，进而用R(红)、G(绿)、B(蓝)各个感光性着色抗蚀剂，通过3次光刻来形成着色下部层(33)。R(红)、G(绿)、B(蓝)各个感光性着色抗蚀剂用旋涂的手法来涂敷，曝光使用步进曝光机。
接着，如图10B所示，在着色下部层10b的R(红)、G(绿)、B(蓝)上，用热固性丙烯树脂涂敷液(第一树脂涂敷液)通过旋涂来形成透明树脂上部层10a。
在透明树脂上部层10a上，进一步同样通过旋涂来涂敷具有热流动性的感光性丙烯系树脂，使其曝光，显影，进而热流动，成为半球状的透镜母模19。其中，热流动处理时的温度例如设为190℃。
接着，用干法蚀刻装置并利用O2气对形成了透镜母模19的半导体衬底11进行蚀刻处理。该蚀刻处理例如在衬底温度为常温、压力为1Pa、RF功率为500W、偏置为50W的条件下执行。进而，用热固性、折射率为1.45的氟系丙烯树脂涂敷液(第二树脂涂敷液)(用有机溶剂稀释上述第一树脂涂敷液而成)通过旋涂来涂敷大约0.09μm的厚度，如图10C所示，形成透明树脂的薄膜——外部树脂层31。
其中，在本实施例中，着色下部层10b、及平坦化层15的树脂材料使用光波长550nm的折射率在1.51～1.55的范围内、具有大致相同的折射率的丙烯树脂。透明树脂上部层10a使用折射率为1.45的日本化药株式会社制造的氟系丙烯树脂。此外，着色下部层10b由于其中包含的色材的关系，比较难以精确地测定折射率，但是R(红)的700nm上的折射率是1.61(R(红)对550nm绿光的吸收大，所以难以在550nm上精确地测定折射率)。
图11示出沿图4的B-B的剖视图。在该图中，示出本固体摄像元件30的非孔径部25。在非孔径部25及与微透镜的下部相当的部分S，在图10B的阶段露出折射率高的着色下部层，最终在其面上以大约0.09μm的厚度涂敷形成了外部树脂层31。也由于有了该外部树脂层31的光干涉效果、和着色下部层的光吸收，能够大大减轻来自非孔径部25的再反射光。着色下部层的表面——微透镜的下部S通过干法蚀刻等有些粗面化，由此也有减轻反射光的效果。
其中，在本实施例中，省略了摄像元件的焊盘部(电连接部)的裸露工序的说明。此外，如果以碱可溶性的感光性树脂的形式来使用外部树脂层31，则可以通过曝光、显影工序置换为焊盘部的裸露工序。再者，本实施例示出了层叠薄膜的外部树脂层31的结构，但是也可以省略该外部树脂层31的层叠。来自图11所示的非孔径部25的反射光虽然增加了一些，但是在本实施例中也可以将蚀刻处理兼作焊盘部的裸露工序，所以有通过省略工序而降低成本的优点。
根据以上所述的本实施方式的固体摄像元件30及其制造方法，至少能够得到下面几种效果。
第1，能够减小透镜下距离，改善聚光性，并且即使是小的像素间距也能够容易地进行加工。这是因为，本固体摄像元件是下述固体摄像元件微透镜是透明树脂上部层和着色下部层的至少2层结构，透明树脂上部层和着色下部层的界面平坦，与下部相当的部分的着色下部层的表面具有将透明树脂上部层延长了的曲面，透明树脂上部层的折射率比着色下部层的折射率低。因此，能够比以往减小透镜下距离，而且能够使微透镜10在规定的厚度以上。
第2，能够抑制有色透镜中的饱和度的降低，有助于高画质，并且减少来自非孔径部的反射光，改善信噪比。这是因为，本固体摄像元件的着色下部层的表面由具有比着色下部层的折射率低的折射率的透明树脂的薄膜覆盖，并且透明树脂上部层的材料是氟系丙烯树脂。
(第4实施方式)图12A是第4实施方式的固体摄像元件40的一例的微透镜一侧的俯视图，是拜耳排列中的着色下部层及微透镜的二维(平面)排列图。图12B示出固体摄像元件40的沿图12A的A-A的剖视图。首先，参照图12B来说明固体摄像元件04的结构。
如图12B所示，固体摄像元件40具备略半球形状的微透镜41、半导体衬底11、光电变换元件13、平坦化层15、遮断层(也兼作电极)16、外侧树脂层31。
微透镜41具有通过用干法蚀刻等进行蚀刻处理而形成的透镜母模41a、透明树脂中间层41b、着色下部层10b。透明树脂中间层41b及着色下部层10b中的至少一部分形成略半球形状的一部分。
透明树脂中间层41b被设为透镜母模41a的基底，其原料与前述第1至第3实施方式的透明树脂上部层10a相同。此外，着色下部层10b被设为透明树脂中间层41b的基底，透明树脂上部层41a、b和着色下部层10b之间的边界为沿光电变换元件13的表面的形状、即平坦的。该平坦面的面积对应于着色下部层10b的有效面积。
通过将微透镜41做成上述结构，能够减小透镜下距离D1，能够使透镜实质厚度在0.5μm以上，容易地加工像素间距在3μm以下的微透镜。
图13是微透镜41的放大图，是着色下部层10b的膜厚的说明图。如图13所示，在设构成微透镜41的曲线部分的着色下部层10b的一部分的厚度为T4、着色下部层10b的膜厚为T2时，本实施方式的固体摄像元件40具有能满足T4≤0.5T2的条件的结构。这能够将着色下部层10b的边界部用作透镜，尽可能减小透镜下距离D1，同时防止着色像素层的饱和度降低。
基本上，为了减小透镜下距离，尽量深地进行蚀刻。然而，如果进入到着色像素层的基底面，则着色像素层的平坦面(有效面)减小，来自微透镜周边的饱和度降低了的入射光增加，导致画质降低。在过度蚀刻、T4＞0.5T时，滤色器间产生间隙，降低孔径比。此外，在T4＞0.5T时，如图14所示，横穿着色像素的光波长13过短，对饱和度(画质)造成恶劣影响。因此，一部分着色像素层的膜厚必须满足T4≤0.5T2的条件。
其中，T4的下限最好满足0.02T2≤T4。这是因为，通过干法蚀刻来蚀刻树脂时的分辨率是0.02左右，如果使其对应于着色下部层的尺度，则为0.02T2左右。在蚀刻了着色下部层的情况下，认为其被削掉的深度在干法蚀刻的分辨率以上、即0.02T2以上。
此外，平坦化层15由曝光波长(365nm)上的透射率在40％以下、且可见光区域上的透射率在90％以上的树脂形成。这样构成是因为，如第2实施方式的形成固体摄像元件的具有紫外线吸收功能的层一项所述，着色下部层10b的曝光波长(365nm)上的透射率和着色下部层10b的基底即平坦化层15的曝光波长(365nm)上的透射率对着色下部层10b的像素形状重现性影响很大。即，能够将形成着色下部层10b时的曝光波长即紫外线(365nm)上的反射率抑制得很低，改善着色下部层10b在3.5μm像素尺寸以下的像素形状重现性。特别是，当像素尺寸在3.5μm以下、进而像素尺寸在2.5μm以下、进而在2μm以下的固体摄像元件40中，为了确保高的光学特性和画质，需要在亚微区域上控制着色下部层10b的像素尺寸，作为着色下部层的基底来赋予紫外线吸收功能，具有在该2.5μm至2μm的范围内相当显著地改善像素形状的效果。
(固体摄像元件制造方法)接着，说明固体摄像元件40的制造方法。图15A至图15G是固体摄像元件40的制造方法的一实施例的工序图。
如图15A所示，首先，在具有光电变换元件13及遮断层16等的半导体衬底11上，通过旋涂等来涂敷向丙烯树脂等透明树脂中添加了紫外线吸收剂而成的树脂溶液，进行加热、硬化来形成规定厚度的平坦化层15。用于形成该平坦化层15的透明树脂除了上述丙烯树脂之外，可以使用环氧树脂、聚酯树脂、氨基甲酸乙酯树脂、三聚氰酰胺树脂、ェリフ等尿素树脂、苯乙烯树脂、酚醛树脂、或它们的聚合物等。
使曝光波长(365nm)上的透射率在40％以下的手法可以采用将紫外线吸收性化合物或紫外线吸收剂添加或悬浮(以反应型紫外线吸收剂等形式编入树脂分子链中)到上述透明树脂中的方式。
紫外线吸收剂有苯并三唑系化合物、二苯基甲酮系化合物、三嗪系、水杨酸酯、香豆素系、呫吨系或甲氧基桂皮酸系有机化合物等。也可以利用氧化铈或氧化钛等金属氧化物微粒的紫外线吸收剂。
这里，制作平坦化层15的曝光波长(365nm)上的透射率为10％、20％、30％、40％及50％的平坦化层15，各色的着色下部层10b的曝光波长(360nm)上的反射率和3.5μm像素尺寸以下的着色下部层形状的评价结果示于下表1。
表1 (注)C青 M品红 Y黄R红 G绿B蓝(注)各着色下部层单体(不包含平坦化层紫外线吸收)上的365nm透射率请参照表2。各着色下部层右的数字(％)是平坦化层的365nm透射率和平坦化层365nm透射率的自乘之积，表示365nm上的反射率。
(注)着色下部层形状按3.5μm以下的微细像素尺寸来评价如表1所示，在补色系着色像素(C、M、Y)中，平坦化层15在曝光波长(365nm)上的透射率在20％以下时，3色都高精度地重现了着色下部层形状；在原色系着色像素(R、G、B)中，在40％以下时，高精度地重现了着色下部层形状。
此外，着色下部层单体(膜厚1μm)在曝光波长(365nm)上的透射率示于下表2。
表2365nm上的着色下部层透射率(％)

这里，从表1及表2的结果可知，这些着色下部层在曝光波长(365nm)上的透射率和着色下部层10b的基底即平坦化层15在曝光波长(365nm)上的透射率对着色下部层10b的像素形状重现性影响很大。该倾向在像素尺寸为3.5μm、进而像素尺寸在3.0μm以下的情况下，特别具有该效果。
接着，如图15B所示，通过旋涂来涂敷预先填充了染料的彩色抗蚀剂，形成着色感光层，进行图形曝光、显影等一系列图形形成处理，在平坦化层15上形成各色的着色下部层10b。
这里，着色下部层10b的厚度可以是作为目的的分色所需的膜厚，没有特别的规定，但是一般在0.4～1.5μm的范围内。彩色抗蚀剂的树脂、及着色下部层10b上形成的透明树脂中间层41b的树脂材料从粘合力和折射率等来看，最好是丙烯系的感光性树脂。
此外，染料可以是溶入彩色抗蚀剂的主溶剂的形式，可以是染料分散的形式，或者也可以是编入树脂骨骼中的所谓的悬浮的形式。使用染色槽的一般染色方法由于工序数增加，所以从成本的观点来看不理想。以染料为色材的滤色器在彩色抗蚀剂的阶段能够进行0.1至0.2μm的很高程度的滤除(异物除去)，所以与滤除限度为0.5～1μm的有机颜料分散型的彩色抗蚀剂相比，能够提供具有高级画质的摄像元件，能够提供大大提高了信噪比的摄像元件。
具体染料有偶氮系、呫吨鎓(キサンティニウム)系、酞花青系、蒽醌系、香豆素系及苯乙烯系等。可以使用红、绿、蓝等三原色染料、或青、品红、黄等补色系染料、再加上绿。
其中，上述着色下部层10b的构成材料使用预先填充了染料的彩色抗蚀剂，但是也可以采用以色材为有机颜料的着色树脂。但是，在有机颜料的情况下，后述干法蚀刻中的蚀刻速率因有机颜料的种类而异，透镜形状容易根据每种颜色来变化；其表面形状粗糙；除此之外，在像素间距微细的摄像元件中，颜料自身的粒径(颗粒)容易对信噪比造成恶劣影响，其抗蚀剂材料的滤除(异物除去)也很难；等等；所以最好是以染料为色材的着色树脂。
接着，如图15C所示，通过旋涂来涂敷具有热流动性的酚醛系感光性树脂溶液，使其干燥硬化来形成感光性树脂层。接着，进行图形曝光、显影等一系列图形形成处理，在着色下部层10b上形成规定膜厚的透明树脂中间层41b及在遮断层16上具有孔径部42的图形化树脂层43。
这里，透明树脂中间层41b的厚度(透镜形状的峰值厚度)没有并特别的规定，但是能够吸收基底的滤色器的凹凸的下限的厚度最好在0.2μm以上。此外，由于本固体摄像元件以微细像素间距为对象，所以透明树脂中间层41b的厚度的上限最好是1μm。
接着，如图15D所示，通过旋涂来涂敷具有热流动性的丙烯系感光性树脂溶液，使其干燥硬化来形成规定厚度的感光性树脂层44。
接着，如图15E所示，对感光性树脂层44进行图形曝光、显影等一系列图形形成处理，在着色下部层10b上形成透镜图形44a。
接着，如图15F所示，以规定的温度对透镜图形44a进行加热再流动，形成具有规定的曲率的透镜母模44b。这里，透镜母模44b的曲率半径是0.7μm前后。
接着，如图15G所示，用干法蚀刻装置对形成了透镜母模44b的半导体衬底11的透镜母模44b、透明树脂中间层41b及着色下部层10b、平坦化层15进行蚀刻处理，形成微透镜41及电连接焊盘45。
经过以上各工序，能够得到在形成了光电变换元件13及遮光层16的半导体衬底11上形成了由透镜母模41a、透明树脂中间层41b及着色下部层10b构成的微透镜41及电连接焊盘45的固体摄像元件40。
其中，干法蚀刻的蚀刻终点使得一部分着色下部层10b的膜厚T4在着色下部层10b的膜厚T的1/2以下。此外，干法蚀刻透镜母模41a时透镜母模41a间的凹部往往容易蚀刻得比较深，容易使微透镜41的完工形状恶化。为了缓解该问题，最好在干法蚀刻前，预先用膜厚0.05μm～0.3μm前后的透明树脂薄膜层来覆盖整个透镜母模。通过插入该工序，能够实施更顺利的透镜母模转印。
此外，也可以具有在微透镜41的整个表面上设反射防止膜的结构。干法蚀刻的深度、条件及干法蚀刻中能够使用的气体等如第1实施方式中所述。
(制造方法的实施例)接着，参照图15A至图15G来详细说明本固体摄像元件40的制造方法的实施例。
首先，如图15A所示，在形成了光电变换元件31、遮光层16、钝化层等的半导体衬底11上，通过旋涂等来涂敷向热固性的丙烯树脂等中添加了紫外线吸收剂的树脂溶液，进行加热、硬化来形成0.6μm厚的平坦化层15。这里，0.6μm厚的平坦化层15在曝光波长(365nm)上的透射率是40％。
接着，向丙烯系树脂中混入以染料索引号分别是C.I.Acid Red114、C.I.Acid Green 16、C.I.Acid Blue 86的染料为中心的色材，与环己酮溶剂一起抗蚀剂化来制作R、G、B各色的丙烯系彩色抗蚀剂。色材的添加量在抗蚀剂中的固体比(聚合物、单体、色材等的合计)分别设为约20重量％。
接着，如图15B所示，用R、G、B各色的丙烯系彩色抗蚀剂来重复3次着色感光层的形成、图形曝光、显影等图形形成处理，形成由R、G、B构成的1.2μm厚的着色下部层10b。这里，各色着色感光层的形成通过旋涂，图形曝光使用采用曝光波长(365nm)的步进曝光机。
接着，如图15C所示，用对紫外线365nm具有灵敏度的感光性及热固性的酚醛系树脂溶液通过旋涂来进行涂敷，使其干燥硬化来形成感光性树脂层。然后，进行图案曝光、显影等一系列图形形成处理，在着色下部层10b上形成0.4μm厚的透明树脂中间层41b及在遮光层16上具有孔径部42的图形化树脂层43。
接着，如图15D所示，通过旋涂来涂敷具有热流动性的丙烯系感光性树脂溶液，使其干燥硬化来形成规定厚度的感光性树脂层44。进而如图15E所示，通过对感光性树脂层44进行图形曝光、显影等一系列图形形成处理，在着色下部层10b上形成透镜图形44a。
接着，如图15F所示，以190℃的温度对透镜图形44a进行加热再流动，形成具有约0.7μm的曲率的透镜母模44b。
接着，用干法蚀刻装置通过O2气对形成了透镜母模44b的半导体衬底11进行蚀刻处理。该蚀刻处理例如在衬底温度为常温、压力为5Pa、RF功率为500W、偏置为100W的条件下执行。
经过以上各工序，如图15G所示，能够得到在形成了光电变换元件13及遮光层16的半导体衬底上形成了由透镜母模41a、透明树脂中间层41b及着色下部层10b构成的微透镜41及遮断层16的固体摄像元件40。
其中，根据发明人的实验，着色下部层10b的膜厚T2是0.7μm，而着色下部层10b的一部分(形成微透镜41的曲面的部分)的膜厚T4是0.3μm。此外，本固体摄像元件40的透镜下距离为约2.1μm，与现有的固体摄像元件的透镜下距离5.5μm相比，能够实现一半以下的透镜下距离。
根据如上所述的本实施方式的固体摄像元件40及其制造方法，至少能够得到下面几种效果。
第1，能够大幅度减小透镜下距离，进一步提高入射光的聚光效果，并且能够大幅度降低噪声光的倾斜入射，所以能够提高固体摄像元件的画质。
第2，能够缓和像素的微细化带来的透镜薄膜化(以及工序途中透镜母模的薄膜化)，能够以0.5μm以上的厚度的、不难以制造的微透镜厚度来提供固体摄像元件。
第3，蚀刻着色下部层10b的一部分而做成透镜形状，所以能够消除使用有色微透镜的情况下的中央部和周边部的入射光的颜色之差，提供高画质的固体摄像元件。同时，在着色下部层10b的厚度方向的途中停止蚀刻，所以即使蚀刻在其厚度方向上略有偏差也能够减少对颜色或聚光的影响。
第4，微透镜41间的凹部进行了着色，所以也有减少来自凹部的反射光分量的效果，能够导致进一步的画质改善。
第5，根据固体摄像元件制造方法，能够省略以往的电连接焊盘的裸露中的复杂的工序，用只有蚀刻的简单工序来制作具有电连接焊盘的固体摄像元件。
(第5实施方式)图16是第5实施方式的固体摄像元件50的一例的微透镜一侧的俯视图，是拜耳排列中的滤色层及微透镜的二维(平面)排列图。此外，图17示出沿图16的B-B的剖视图。图18示出沿图16的A-A线的剖视图。首先，参照图16至图18来说明固体摄像元件50的结构。
如该图所示，固体摄像元件50具有略半球形状的微透镜51、半导体衬底11、光电变换元件13、平坦化层15、遮光层16、非孔径部层52。微透镜5 1具有由氟系丙烯树脂构成的透明树脂上部层10a、着色下部层10b。
非孔径部层52由氟系丙烯树脂等折射率低的透明树脂材料(低折射率树脂)构成，是着色下部层10b顶面上的、微透镜51间的非孔径部25上形成的薄膜。本固体摄像元件50通过用低折射率树脂——氟系丙烯树脂形成微透镜51及非孔径部层52，来减轻来自微透镜的反射光。此外，着色下部层10b包含色材(颜料或染料)，所以在光学上其折射率容易很高。因此，用于形成非孔径部层52的透明树脂薄膜的膜厚最好涂敷形成为用着色下部层10b和低折射率树脂容易得到基于光干涉的反射防止效果的膜厚。由此，能够减轻来自非孔径部25的反射光的影响，防止再入射光使画质降低。
此外，本固体摄像元件50通过用耐热性树脂——氟系丙烯树脂来形成微透镜51及非孔径部层52，改善了耐热性。通过使用氟系丙烯树脂，即使在250℃及1小时左右的热处理中微透镜也不见变色。
与透明树脂上部层10a的厚度T1、及着色下部层10b的厚度T2有关的理想条件与第1实施方式中所述的透明树脂上部层10a及着色下部层10b的条件相同。
一般，半径为r的透镜的焦距f由前述公式(1)来表示。例如，折射率n1＝1.61的透镜在空气媒质(折射率n0＝1)中具有2.64r的焦距。如上所述，难以形成膜厚在0.4μm以下的半球状微透镜。但是，如果像本实施方式这样，用折射率在1.5以下、最好在1.40～1.45的范围内的低折射率的透明树脂来形成微透镜，则能够稳定地形成厚度在0.5μm以上的半球状的微透镜。例如，如果使用折射率为1.43的透明氟系丙烯树脂，则能够用1.25倍的0.5μm的膜厚来形成0.4μm膜厚。
此外，氟系丙烯树脂是低折射率、而且高透射率(反射率大约低2％)的树脂。该透射率例如是比以上述酚醛树脂为骨骼的、折射率为1.6～1.7的高折射率树脂的透射率高的透射率。特别是，可见区域的短波长一侧的透射率比高折射率树脂高。氟系丙烯树脂具有高透射率，对提高CCD、C-MOS的固体摄像元件的灵敏度、提高画质很有效。
(制造方法的实施例)接着，参照图18、图19A至图19C来详细说明本固体摄像元件50的制造方法的实施例。图19A至图19C是用于说明固体摄像元件50的制造方法的、沿图16的B-B线的剖视图。本实施例的固体摄像元件50如图18所示，在半导体衬底11上形成了光电变换元件13、由着色下部层10b和氟系丙烯树脂的透明树脂上部层10a构成的微透镜51。
在本实施例中，着色下部层10b、平坦化层15的树脂材料使用光波长550nm的折射率在1.51～1.55的范围内的、具有大致相同折射率的丙烯树脂。透明树脂上部层10a使用折射率为1.45的日本化药株式会社制造的氟系丙烯树脂。此外，着色下部层10b由于其中包含的色材的关系，比较难以精确地测定折射率，但是R(红)的700nm上的折射率是1.61(R(红)对550nm绿光的吸收大，所以难以在550nm上精确地测定折射率)。
再者，着色下部层10b由于树脂中分散的色材的影响，折射率与母材树脂不同(移动到高折射率一侧)。本实施例的颜色排列如图16所示，为所谓的拜耳排列一个像素由2个G(绿)和R(红)、B(蓝)合计4个元件构成。其中，着色下部层10b的R(红)、G(绿)、B(蓝)可以分别使用以有机颜料为色材的日本的东洋墨水制造株式会社的感光性着色抗蚀剂。
图19A至图19C是固体摄像元件50的制造方法的说明图。如图19A所示，在形成了光电变换元件13或遮断层16、钝化层的半导体衬底11上，用热固性的丙烯树脂涂敷液通过旋涂来形成平坦化层15。进而，用R(红)、G(绿)、B(蓝)各个感光性着色抗蚀剂通过3次光刻来形成着色下部层10b。R(红)、G(绿)、B(蓝)各个感光性着色抗蚀剂用旋涂的手法来涂敷，曝光使用步进曝光机。
接着，如图19B所示，在着色下部层10b的R(红)、G(绿)、B(蓝)上，用热固性丙烯树脂涂敷液(日本化药株式会社制造)通过旋涂来形成透明树脂上部层10a。
在透明树脂上部层10a上，进一步同样通过旋涂来涂敷具有热流动性的感光性丙烯系树脂，使其曝光，显影，进而热流动，生成半球状的透镜母模19。此时，热流动处理时的温度例如设为200℃。
接着，用干法蚀刻装置通过O2气对形成了透镜母模19的半导体衬底11进行蚀刻处理。该蚀刻处理在衬底温度为常温、压力为1.2Pa、RF功率为500W、偏置为200W的条件下执行。
最后，对微透镜51间的非孔径部25实施蚀刻处理，使得残留大约0.1μm的透明树脂(氟系丙烯树脂)，能够得到图19C所示的固体摄像元件50。
在图16及图17中，示出固体摄像元件50的非孔径部25。在非孔径部25上，形成了折射率比较高的滤色器作为基底，在其面上以大约0.1μm的厚度来层叠低折射率树脂即氟系丙烯树脂。也由于有了该低折射率树脂的薄膜的光干涉效果、和滤色器的光吸收，能够大大减轻来自非孔径部25的再反射光。
此外，根据发明人的实验，通过本实施例得到的固体摄像元件50的透明树脂上部层10a的峰值厚度(从与着色下部层10b的界面到透镜中央部的高度)T1是0.9μm，非孔径部层52的厚度T6是0.1μm，微透镜的厚度T5是从透明树脂上部层10a的厚度T1中减去非孔径部层52的厚度T6所得的0.8μm。此外，着色下部层10b单独的厚度T7是0.8μm。再者，透镜下距离为约3.3μm，与以往5.5μm相比，可以为60％，极小。其中，在本实施例中，微透镜的间距设为3.5μm，透镜间的间隙设为0.3μm。
此外，用积分球和变角测角器(都是日本的村上色彩株式会社制造)测定比较本实施例的固体摄像元件50、和为了比较而使用高折射率(折射率为1.6)的透镜材料的现有的固体摄像元件的反射光的状况。这里，积分球用于观察元件整个表面、整体的反射光的量的多寡，而变角测角器用于相对于入射光(平行光)来转动光检测部的角度，查看变角下的(局部的)反射光的状态。
本实施例的固体摄像元件50，在使用积分球时，同以往相比在可见光整个波段上反射率降低2～3％。在使用变角测角器时，在大致正反射方向的-5度入射中，使光检测元件从+5度变角至+20度，但是在反射光的强度值方面，本固体摄像元件50为现有的一半以下，是低反射光强度值。
其中，在本实施例中，省略了摄像元件50的焊盘部(电连接部)的裸露工序的说明。此外，如果以碱可溶性的感光性树脂的形式来使用低折射率树脂，则可以通过曝光、显影工序置换为焊盘部的裸露工序。
根据以上所述的本实施方式的固体摄像元件50及其制造方法，至少能够得到下面几个效果。
第1，能够极力减少来自微透镜间的非孔径部、及微透镜的表面的反射光，改善信噪比，提高画质。这是因为，本固体摄像元件在着色下部层面上形成了由氟系丙烯树脂构成的透明树脂上部层，在微透镜间的非孔径部上形成了氟系丙烯树脂的非孔径部层，能够防止该微透镜上的反射。
第2，能够减小透镜下距离，另一方面，将透镜实质厚度从上述0.3μm～0.5μm变为0.5μm以上。因此，能够容易地将微透镜加工到3恤以下的像素间距小的摄像元件上。
第3，通过氟系丙烯树脂形成了透明树脂上部层和非孔径部层，所以与以往相比，能够实现可应付更严格的处理条件的耐热性。
产业上的可利用性根据以上所述的固体摄像元件及其制造方法，能够减小透镜下距离，改善聚光性、信噪比；能够将微透镜的实质厚度变为0.5μm以上；能够抑制有色透镜中的饱和度降低，提高孔径比。
权利要求
1.一种固体摄像元件，具备二维配置的多个光电变换元件、和分别覆盖上述光电变换元件的多个略半球形状的微透镜，其特征在于，上述微透镜是多层构造透镜，至少具有透明树脂上部层，形成上述略半球形状的至少一部分；以及着色下部层，被设在上述透明树脂上部层的上述光电变换元件一侧，与该透明树脂上部层之间的界面具有沿上述光电变换元件的表面的形状。
2.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，上述透明树脂上部层和上述着色下部层之间的上述界面是平坦的。
3.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，上述着色下部层的一部分形成上述略半球形状的至少一部分。
4.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，上述着色下部层是以染料为色材的着色树脂层。
5.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，多个上述着色下部层的厚度之差在0.3μm以内。
6.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，上述透明树脂上部层的折射率与上述着色下部层的折射率相同，或者在其以下。
7.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，还具备设在上述微透镜和上述光电变换元件之间的平坦化层；上述微透镜或上述平坦化层中的至少一方具有红外线吸收功能。
8.如权利要求7所述的固体摄像元件，其特征在于，还具备设在上述平坦化层和上述着色下部层之间的紫外线吸收层。
9.如权利要求8所述的固体摄像元件，其特征在于，上述平坦化层具有紫外线吸收功能。
10.如权利要求3所述的固体摄像元件，其特征在于，上述微透镜还具备设在上述透明树脂上部层的上方、并形成上述略半球形状的至少一部分的透镜母模。
11.如权利要求3所述的固体摄像元件，其特征在于，从上述着色下部层的膜厚T中减去上述着色下部层的一部分的厚度T1所得的值在0.4μm以上。
12.如权利要求10所述的固体摄像元件，其特征在于，在将该上述着色下部层的膜厚设为T的情况下，形成上述略半球形状的至少一部分的上述着色下部层的一部分的厚度T1满足0.02T≤T1≤0.5T。
13.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，上述平坦化层的材料是曝光波长的透射率在40％以下、而且在可见光区域具有90％以上的透射率的树脂。
14.如权利要求3所述的固体摄像元件，其特征在于，上述透明树脂上部层的折射率比着色下部层的折射率低。
15.如权利要求14所述的固体摄像元件，其特征在于，还具备外侧树脂层，具有比上述着色下部层的折射率低的折射率，并形成上述略半球形状的至少一部分，覆盖上述着色下部层的一部分。
16.如权利要求14所述的固体摄像元件，其特征在于，上述透明树脂上部层由氟系丙烯树脂构成。
17.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，还具备存在于上述多个微透镜之间、覆盖非孔径部的非孔径部层；上述透明树脂上部层或上述薄膜的至少一方由氟系丙烯树脂构成。
18.一种固体摄像元件制造方法，该固体摄像元件具备二维配置的多个光电变换元件、和分别覆盖上述光电变换元件的多个略半球形状的微透镜，其特征在于，该固体摄像元件制造方法具备下述步骤在二维配置于半导体衬底上的多个光电变换元件上形成平坦化层；在上述平坦化层上，用以色素为色材的感光性着色抗蚀剂，通过光刻来形成多种颜色的着色下部层；在上述多种颜色的着色下部层上，通过涂敷第一树脂涂敷液来形成透明树脂上部层；用具有碱可溶性、感光性、及热流动性的透镜材料，在上述透明树脂上部层上，通过光刻及热处理来形成透镜母模；在上述透镜母模上进行干法蚀刻，至少向上述透明树脂上部层上转印上述透镜母模图形，形成至少具有上述透明树脂上部层和上述着色下部层的上述微透镜。
19.如权利要求18所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，还具备下述步骤在形成上述透镜母模后，形成透明树脂薄膜层，以便覆盖上述透镜母模的二维排列的整个表面。
20.如权利要求19所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，转印上述透镜母模图形时的上述干法蚀刻的深度，达到上述着色下部层的厚度方向上的一部分。
21.如权利要求18所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，上述干法蚀刻中所用的气体是包含作为氟系气体的CF4、C2F6、C3F8、C4F8、CHF3、C2HF5中的至少一种的气体。
22.如权利要求18所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，上述色素是染料。
23.如权利要求18所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，在形成上述平坦化层时，通过使用具有红外线吸收功能的树脂涂敷液，使上述平坦化层具有红外线吸收功能。
24.如权利要求18所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，在形成上述透明树脂上部层时，通过使用具有红外线吸收功能的树脂涂敷液，使上述透明树脂上部层具有红外线吸收功能。
25.如权利要求23或24所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，上述树脂涂敷液含有红外线吸收波段不同的多种红外线吸收剂。
26.如权利要求18所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，在形成上述透明树脂上部层和形成上述透镜母模之间，还具有通过涂敷来形成紫外线吸收层的步骤。
27.如权利要求18所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，还具备下述步骤至少向上述透明树脂上部层上转印上述透镜母模图形后，在上述微透镜上通过涂敷来层叠红外线吸收层的薄膜。
28.如权利要求18所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，还具备下述步骤在上述微透镜的最外层，层叠低折射率树脂的薄膜。
29.如权利要求18所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，上述平坦化层的材料使用曝光波长的透射率为40％以下、而且在可见光区域具有90％以上的透射率的树脂。
30.如权利要求18所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，上述透明树脂上部层的折射率比着色下部层的折射率低。
31.如权利要求18所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，还具备下述步骤在转印上述透镜母模图形后，使用第二树脂涂敷液来形成具有比着色下部层的折射率低的折射率的透明树脂的薄膜，以便覆盖上述微透镜的整个表面。
32.如权利要求31所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，上述第一树脂涂敷液或上述第二树脂涂敷液中的至少一方是含有氟系丙烯树脂的树脂涂敷液。
33.如权利要求18所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，还具备下述步骤在形成上述透明树脂上部层后，不是形成上述透镜母模，而是在上述透明树脂上部层上，用具有热流动性的感光体树脂溶液来形成感光层，对上述感光层上进行至少包含图形曝光、显影的图形形成处理来形成透镜图形，使其热流动，在阵列状配置的光检测元件的各个位置上形成略半球状的透镜母模；在转印上述透镜母模图形时，至少向上述透明树脂上部层及上述透镜母模上转印上述透镜母模图形。
34.如权利要求18所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，还具备下述步骤形成覆盖存在于上述多个微透镜之间的非孔径部的、氟系丙烯树脂的薄膜。
35.如权利要求18所述的固体摄像元件制造方法，其特征在于，上述第一树脂涂敷液是氟系丙烯树脂；具备下述步骤对上述透镜母模的干法蚀刻，向上述透明树脂层上转印透镜母模图形，将上述多种颜色的着色下部层的上述透明树脂层作为微透镜，在微透镜之间的非孔径部上形成由上述氟系丙烯树脂构成的非孔径部层。
全文摘要
一种固体摄像元件具备二维配置的多个光电变换元件、和分别覆盖上述光电变换元件的多个略半球形状的微透镜。微透镜为多层构造，至少具有透明树脂上部层，形成略半球形状的至少一部分；和着色下部层，被设在透明树脂上部层的上述光电变换元件一侧，与该透明树脂上部层之间的界面具有沿上述光电变换元件的表面的形状、例如平坦的形状。
文档编号G02B3/00GK1579022SQ0380139
公开日2005年2月9日 申请日期2003年7月9日 优先权日2002年7月9日
发明者福吉健藏, 石松忠, 北村智史, 绪方介 申请人:凸版印刷株式会社