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1. (WO2012008387) 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法、電子機器
Document

明 細 書

発明の名称 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法、電子機器

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008  

先行技術文献

特許文献

0009  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0010   0011   0012   0013   0014   0015  

課題を解決するための手段

0016   0017   0018  

発明の効果

0019  

図面の簡単な説明

0020  

発明を実施するための形態

0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074  

符号の説明

0075  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

明 細 書

発明の名称 : 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法、電子機器

技術分野

[0001]
 本発明は、画素上にマイクロレンズを備える固体撮像素子、及び、マイクロレンズを備える固体撮像素子、並びに固体撮像素子を用いた電子機器に係わる。

背景技術

[0002]
 近年、携帯電話等に代表されるように、カメラモジュールを用いる電子機器の小型化及び薄型化が要求されている。このため、従来のセラミックパッケージ内に固体撮像素子を配置して、表面をガラス板で接着して封止するパッケージ構造では、上記の小型化及び薄型化の要求に応えられなくなってきている。
[0003]
 そこで、マイクロレンズアレイ上に直接ガラス板を貼り付け、フリップチップ実装するパッケージ構造の開発が進められている。例えば、オンチップマイクロレンズを覆うように透明の比較的硬い材料を保護層として設ける。このように、保護層を設けることで、専用のパッケージを必要とせず、ダイシング後の固体撮像素子チップの個々の作業が少なくなるため工程を簡略化できる。さらに、保護層は比較的硬く、表面が平坦化されているため、ごみが付着した場合にも傷をつけずに簡単に拭き取ることができる。
[0004]
 また、近年、固体撮像素子の小型化,高画素化に伴う光電変換部面積の減少による感度の低下が問題となっている。この問題を解決するために、光電変換部の上にマイクロレンズを備えたカラー固体撮像素子が利用されるようになっている。
 従来のマイクロレンズの構造では、ビデオカメラのレンズ絞り径が充分小さく、カラー固体撮像素子に垂直光が入射する場合、入射光は問題なく光電変換部に集光される。しかし、ビデオカメラのレンズ絞りを開放に近づけた場合、光電変換部に集光できない斜光成分が増大するため、カラー固体撮像素子の感度が効果的に向上しないという課題を有している。
[0005]
 上記課題に対して、マイクロレンズ上に、例えば透明性を有する樹脂材料で平坦化された、つまり固体撮像素子の最上面が実質的に平坦面である構造が提案されている。図7に上記構成を有する固体撮像素子のカラーフィルタ上の概略構成を示す。この構成の固体撮像素子では、カラーフィルタ101上に平坦化層102が形成され、この平坦化層102上にマイクロレンズ層103が設けられている。さらに、マイクロレンズ層103上に、表面が平坦化された透明樹脂層104が設けられている。
 しかしながら、マイクロレンズ層103の屈折率n1と透明樹脂層104の屈折率n2との差が小さいと、マイクロレンズ層103による光の集束効果が充分に得られない。すなわち、図7に示すマイクロレンズと樹脂平坦化膜を設けた集光構造では、マイクロレンズ層103の上方が空気層である従来の集光構造よりも、集光率が半分以下になってしまう。
[0006]
 上記集光特性の課題を改善する手法として、マイクロレンズが、前記透明樹脂層よりも大きな屈折率を有する構造とすることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このような構造とすることで、受光面が樹脂等で覆われる場合であっても、マイクロレンズによる集光性能を好適に維持することが可能となる。この手法は、具体的にはシリコン窒化膜(SiN)を用いたエッチバック法により、マイクロレンズを形成する手法である。
[0007]
 エッチバック法によるマイクロレンズの形成方法を図8に示す。
 エッチバック法は、図8のAに示すように、カラーフィルタ101上に平坦化層102を形成する。その後、平坦化層102上に、例えばシリコン窒化膜(SiN)によって透光性を有するマイクロレンズ層103膜をプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法で形成する。次に、マイクロレンズ層103上にレジスト層105を形成する。そして、図8のBに示すように、フォトリソグラフィによりにレジスト層105をレンズ形状にパターン加工した後、熱処理を施してレジストパターンを形成する。そして、図8のCに示すように、レンズパターンが形成されたレジスト層105をマスクとしてマイクロレンズ層103をエッチングし、レンズ形状に加工する。
[0008]
 上述の構成では、マイクロレンズがシリコン窒化膜(SiN)からなるため、その屈折率は「2」程度となる。これに対し、マイクロレンズを覆う透明樹脂は、屈折率は「1.5」程度アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、スチレン系樹脂等である。このため、マイクロレンズによる集光性能を確保することができる。なお、プラズマCVD法によるシリコン窒化膜の成膜温度は、有機樹脂やカラーフィルタの耐熱温度よりも充分に低い温度で、好適に成膜する必要がある。

先行技術文献

特許文献

[0009]
特許文献1 : 特開2003-338613号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0010]
 しかしながら、上述のエッチバック法を用いたマイクロレンズの形成方法では、カラーフィルタ上を透明平坦化層で平坦化し、その上に上記のシリコン窒化膜(SiN)を成膜する。カラーフィルタを、例えばGREEN、RED、BLUEのベイヤー配列とする場合、固体撮像素子の感度特性及び色再現性向上のために、色毎に最適な分光特性を達成する必要がある。このため、色毎に厚さが異なることが一般的である。そこで、上記マイクロレンズ形成のフォトリソグラフィプロセスの安定性のために、カラーフィルタ上を透明平坦化層で平坦化するプロセスが一般的である。
[0011]
 なお、この透明平坦化層は安価で透明性及び耐熱性等を有する材料が望ましく、アクリル系樹脂材料及び、スチレン系樹脂材料、エポキシ系樹脂材料などを用いるのが一般的である。さらに、固体撮像素子の集光特性向上のために縦方向構造の低層化が必須であるため、この平坦化層をより薄く形成することが望まれている。そのため、透明平坦化層は、熱可塑性と熱硬化性を兼ね備える上記樹脂材料を用いることが好ましい。
[0012]
 ところで、上記のアクリル系樹脂材料及び、スチレン系樹脂材料、エポキシ系樹脂材料等の樹脂材料は、一般的に膜応力が低い。特に熱可塑性と熱硬化性を兼ね備える場合はさらに膜応力の低さが顕著となる。しかし、マイクロレンズ層を形成するシリコン窒化膜(SiN)は、透明性と高屈折率を兼ね備える場合、膜応力が高くなる傾向にある。
[0013]
 樹脂材料とSiNの様な膜応力が大きく異なる層が積層された場合、図9のAに示すマイクロレンズ層103の表面にシワ・歪みなどの問題が発生する。図9のB及び図9のCは、マイクロレンズ層103に発生する表面シワ・歪みによる表面不具合の様子を示す図である。また、図9のDは、図9のB及び図9のCとの対比用の、表面不具合が発生していない状態のマイクロレンズ層103の表面の様子を示す図である。このシワ・歪みは平坦化層102とマイクロレンズ層103との界面で発生する。そして、この平坦化層102とマイクロレンズ層103との界面で発生したシワ・歪みがマイクロレンズ層103表面にも同様に転写される。
[0014]
 このように、膜応力の差が大きい積層構造によってシワ・歪みのような表面不具合が発生した場合、レジスト層によるレンズパターンの形成ためのフォトリソグラフィにおいて、露光工程でのデフォーカス懸念が顕著となる。このため、ウエハ面内や、チップ内の線幅均一性などが悪化し、固体撮像素子の集光特性の悪化を引き起こす原因となる。
[0015]
 上述した問題の解決のため、本発明においては、集光特性に優れた固体撮像素子及び固体撮像素子及び高感度特性に優れた電子機器を提供するものである。

課題を解決するための手段

[0016]
 本発明の固体撮像素子は、半導体基体と、半導体基体に形成されている光電変換部とを有し、半導体基体上に、少なくとも1層以上の応力緩和層を介して積層されている有機材料層と無機材料層とを備える。
 また、本発明の電子機器は、上述の固体撮像素子と、固体撮像素子の撮像部に入射光を導く光学系と、固体撮像素子の出力信号を処理する信号処理回路とを有する。
[0017]
 また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基体に光電変換部を形成する工程と、半導体基体上に、少なくとも1層以上の応力緩和層を介在させて、有機材料層と無機材料層との積層体を形成する工程とを有する。
[0018]
 上述の固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法では、半導体基体上に、無機材料層と有機材料層とが形成され、この無機材料層と有機材料層との間に応力緩和層が形成されている。膜応力差の大きい無機材料層と有機材料層との間に、この膜応力差を緩和するための応力緩和層を備えることにより、各層の界面で膜応力差に起因して発生する表面不具合を抑制することができる。このため、固体撮像素子の集光特性を向上させることができる。
 また、本発明の電子機器によれば、表面不具合の抑制による集光特性を向上させた上記固体撮像素子を備えることにより、高感度化が可能である。

発明の効果

[0019]
 本発明によれば、集光特性に優れた固体撮像素子及び高感度特性に優れた電子機器を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0020]
[図1] 本発明の固体撮像素子の第1実施の形態の構成を示す断面図である。
[図2] 本発明の固体撮像素子の第2実施の形態の構成を示す断面図である。
[図3] 本発明の固体撮像素子の第3実施の形態の構成を示す断面図である。
[図4] A~Cは、本発明の固体撮像素子の実施の形態の製造工程図である。
[図5] D~Fは、本発明の固体撮像素子の実施の形態の製造工程図である。
[図6] 本発明に係る電子機器の概略構成図である。
[図7] 従来の固体撮像素子の構成を示す断面図である。
[図8] A~Cは、従来の固体撮像素子の製造工程図である。
[図9] Aは、従来の固体撮像素子の構成を示す断面図である。B及びCは、マイクロレンズ層に発生する表面不具合の様子を示す図である。Dは、表面不具合が発生していない状態のマイクロレンズ層の表面の様子を示す図である。

発明を実施するための形態

[0021]
 以下、本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
 なお、説明は以下の順序で行う。
1.固体撮像素子の第1実施形態
2.固体撮像素子の第2実施形態
3.固体撮像素子の第3実施形態
4.固体撮像素子の製造方法
5.電子機器の実施の形態
[0022]
〈1.固体撮像素子の第1実施形態〉
 以下本発明の固体撮像素子の具体的な実施の形態について説明する。
 図1に、本実施の形態の固体撮像素子の概略構成図として、CCD(Charge Coupled Device)固体撮像素子の断面図を示す。
[0023]
 本実施形態に係るCCD固体撮像素子の撮像部は、特に図示しないが、一方向(垂直転送方向)に沿って長い電荷転送部が多数平行ストライプ状に形成され、その各離間スペース内に1列分の画素の光電変換部が電荷転送部と平行に列をなして配置されている。光電変換部列と、その一方側の電荷転送部との間には、各画素に読み出しゲート部が設けられている。また、光電変換部列と、その他方側の他の電荷転送部との間には、各光電変換部で発生した信号電荷の当該他の電荷転送部への漏洩を防止するチャネルストッパが設けられている。
[0024]
 図1に示すCCD固体撮像素子は、半導体基体11に形成された第1導電型、例えばp型ウエル領域の表面部に、第2導電型、例えばn型の不純物領域からなる光電変換部12が形成されている。半導体基体11と光電変換部12との間のpn接合を中心とした領域での光電変換により信号電荷を発生させ、光電変換部12において信号電荷を一定時間蓄積する。
[0025]
 また、光電変換部12とそれぞれ所定距離をおいて、主に第2導電型の不純物領域からなる電荷転送部13が形成されている。なお、図示を省略したが、光電変換部12と一方の電荷転送部13との間に、読み出しゲート部の可変ポテンシャル障壁を形成する第1導電型の不純物領域が形成されている。そして、光電変換部12と他方の電荷転送部13との間に、チャネルストッパとしての高濃度の第1導電型純物領域が、半導体基体11の深部にまで形成されている。
[0026]
 半導体基体11上には、酸化シリコン等の絶縁層15が形成されている。また、電荷転送部13の上方の絶縁層15上に、ポリシリコン等からなる電荷転送電極14が形成されている。光電変換部12での光電変換により得られた信号電荷は、読み出しゲート部を介して一方の電荷転送部13に読み出される。そして、電荷転送電極14を4相等の垂直転送クロック信号により駆動することにより、信号電荷が電荷転送部13内を所定の方向に順次転送される。その後、ラインごとの信号電荷として図示しない水平転送部に掃き出された信号電荷が、水平転送部内を、例えば2相の水平クロック信号により転送された後、撮像信号として外部に出力される。
[0027]
 電荷転送電極14上には、半導体基体11上と同様に酸化シリコン等の絶縁層15が形成されている。また、絶縁層15上に、たとえばタングステン(W)などの高融点金属からなる遮光層16が形成されている。遮光層16は、光電変換部12の上方で開口した開口部を有する。開口部の周縁は、電荷転送電極14の段差より若干内側に位置する。これは、遮光層16の電荷転送部13に対する遮光性を高め、スミアを抑えるためである。
[0028]
 遮光層16上及び半導体基体11内を覆って、たとえばPSG(Phosphosilicate glass)またはBPSG(Borophosphosilicate glass)等からなる第1光透過絶縁層17が形成されている。光電変換部12の直上の第1光透過絶縁層17には、下地の電荷転送電極14及び遮光層16の段差の形状を反映した曲面を有する凹部が形成されている。
[0029]
 第1光透過絶縁層17上には、第1光透過絶縁層17より屈折率が高い材料、たとえばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成した窒化シリコン(P-SiN)等からなる第2光透過絶縁層18が、第1光透過絶縁層17の凹部を埋め込んで形成されている。第2光透過絶縁層18の表面は平坦化され、これら第1,第2光透過絶縁層17,18により層内レンズが形成されている。
[0030]
 第2光透過絶縁層18上には、第1平坦化層19が形成されている。第1平坦化層19上には、カラーフィルタ20が配置されている。
 第1平坦化層19は、カラーフィルタ20が形成される第2光透過絶縁層18の上部を平坦化するために設けられている。また、第1平坦化層19上に形成されるカラーフィルタの反射防止層としての作用を有する。第1平坦化層19は、安価で透明性及び耐熱性等を有する材料が好ましく、例えば、アクリル系樹脂材料及び、スチレン系樹脂材料、エポキシ系樹脂材料等により形成される。また、第1平坦化層19は、シリコン窒化膜(SiN)等の無機材料によりパッシベーション層(保護層)として形成されていてもよい。
 カラーフィルタ20は、原色系のカラーコーディングがなされ、境界領域で区切られた光透過領域が赤(R)、緑(G)、青(B)の何れかに着色されている。なお、補色系のカラーコーディングがされたカラーフィルタでは、たとえばイエロー(Ye)、マゼンダ(Mg)、シアン(Cy)、緑(G)等の何れかに着色される。また、カラーフィルタ20は、固体撮像素子の感度特性及び色再現性向上のために、フィルタ毎に最適な分光特性を達成する必要があり、各色フィルタの厚さが異なる。
[0031]
 カラーフィルタ20上には、第2平坦化層21が形成されている。第2平坦化層21は、上記のように色毎に厚さの異なるカラーフィルタ20上を、透明平坦化層で平坦化するために形成されている。第2平坦化層21は、安価で透明性及び耐熱性等を有する材料が望ましく、アクリル系熱硬化樹脂材料及び、スチレン系樹脂材料、エポキシ系樹脂材料等を用いることが好ましい。さらに、固体撮像素子の集光特性向上に向けて縦方向構造の低層化を行う場合には、熱可塑性と熱硬化性を兼ね備えるアクリル系樹脂材料及び、スチレン系樹脂材料、エポキシ系樹脂材料などを用いることが好ましい。
[0032]
 第2平坦化層21上には、応力緩和層22が形成されている。そして、応力緩和層22上に、表面に凸状曲面(レンズ面)が形成されたマイクロレンズ層23が配置されている。
[0033]
 マイクロレンズ層23は、例えばエッチバック法により形成されたシリコン窒化層(SiN)により構成され、屈折率が2程度である。
 マイクロレンズ層23のレンズ面で受けた光が集光され、上述の層内レンズで更に集光されて、光電変換部12に入射される。マイクロレンズ層23は無効領域となる隙間をできるだけ少なくするようにCCDイメージャ表面に形成され、遮光膜上方の光も有効利用して光電変換部12に入射させるため、画素の感度が向上する。
[0034]
 応力緩和層22は、上述の有機材料からなる第2平坦化層と、無機材料からなるマイクロレンズ層23との、膜応力の差を緩和するために設けられている。
 上述のように、有機材料層と無機材料層とでは、その膜応力が大きく異なる。このため、SiN等の無機材料からなるマイクロレンズ層23と、樹脂材料等の有機材料からなる第2平坦化層21とが直接接する形で積層されると、その界面に膜応力差に起因するシワ・歪みが発生する。つまり、無機材料層と有機材料層とを積層した場合には、膜応力差に起因した膜形状の不具合が積層界面に発生する。
[0035]
 これに対し、図1に示す構成の固体撮像素子では、有機材料層と無機材料層の積層体において、有機材料層と無機材料層の膜応力値の間で、これらと異なる応力値を有する応力緩和層22が形成されている。つまり、膜応力の関係が、無機材料層>応力緩和層>有機材料層の関係を満たす応力緩和層を、無機材料層と有機材料層との間に介在させる。
[0036]
 上述のように、有機材料層上に無機材料層を形成する前に、膜応力が有機材料層と無機材料層との間の値を有する材料による層を形成することで、互いの層の膜応力差を緩和する作用を付与することができる。このため、無機材料層と有機材料層とを積層した場合にも、膜応力差に起因した表面不具合の発生を抑制することができる。この結果、積層界面に発生する表面上のシワ・歪みの不具合を抑制し、その後のリソグラフィプロセスで問題なくパターン形成が可能となる。従って、固体撮像素子において集光特性の悪化を回避することができる。
[0037]
 応力緩和層21の材質は、無機系が望ましく、低温CVD法での成膜方法が好ましい。具体的には、例えばSiO、SiN、及び、組成式SiO (但し、0<X≦1,0<Y≦1、以下SiONと記す)で表されるシリコン化合物が好ましい。
[0038]
 また、第2平坦化層21をアクリル系熱可塑硬化材料とし、マイクロレンズ層23を低温SiN膜とすることが好ましい。この場合、この応力緩和層22を低温SiON膜とすることで新たな工程を追加することなく、同一CVDプロセス内で応力緩和層22(SiON)とマイクロレンズ層23(SiN)を形成することができ、簡便性に優れる。
[0039]
 また、応力緩和層22の光学特性は、屈折率が1.4~2.0であり、透明性を有することが好ましい。特に、応力緩和層22をSiONにより形成した場合、屈折率が1.6~1.9となるため、SiNのマイクロレンズ層23(屈折率:1.8~2.0)とアクリル樹脂系の第2平坦化層21(屈折率:1.4~1.5)の界面反射を低減することができる。この結果、固体撮像素子の集光特性が向上する。
[0040]
 応力緩和層22の膜応力は-100~100Mpaが好ましい。なお、ここで示す膜応力は、薄膜応力測定器(ウエハ反り測定装置 FSM 500TC(株ビジョン))を用いて測定した値である。以降に記載される膜応力値も同様に、上記測定器を用いて測定した値である。
[0041]
 マイクロレンズ層23上には、表面が平坦化された透明樹脂層24が設けられている。透明樹脂層24は、屈折率が1.5程度の有機材料、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、スチレン系樹脂等から構成される。
 マイクロレンズ層23を構成するSiNの屈折率が2程度であり、透明樹脂層24を構成する有機材料の屈折率が1.5程度であるため、固体撮像素子においてマイクロレンズによる集光性能を確保することができる。
[0042]
 なお、上述の実施の形態では、応力緩和層を1層形成する場合について示したが、有機材料層と無機材料層との間に形成される応力緩和層の層数はとくに限定されない。例えば、有機材料層と無機材料層との間に、異なる材料からなる応力緩和層を複数層設けることも可能である。このとき、応力緩和層を、隣接するそれぞれの層における膜応力差が小さくなるように調整することで、各層の界面における表面不具合の発生を、より抑制することが可能である。
[0043]
〈2.固体撮像素子の第2実施形態〉
 上述の第1実施形態では、固体撮像素子の例としてCCD固体撮像素子に本発明を適用した場合について説明したが、他の固体撮像素子に適用することができる。
 固体撮像素子は、CCD固体撮像素子に代表される電荷転送型固体撮像素子と、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)固体撮像素子に代表されるX‐Yアドレス型固体撮像素子とに大別される。ここで、X‐Yアドレス型固体撮像素子について、CMOS固体撮像素子を例に採ってその断面構造の一例を、図2を用いて説明する。なお、上述の図1に示す第1実施形態と同様の構成は、同じ符号を用いて説明を省略する。
[0044]
 CMOS固体撮像素子は、特に図示しないが、画素部、垂直(V)選択回路、S/H(サンプル/ホールド)・CDS(Correlated Double Sampling)回路、水平(H)選択回路、及び、タイミングジェネレータ(TG)等が同一の基板上に搭載されている。画素部は、後述する単位画素が行列状に多数配列され、行単位でアドレス線等が、列単位で垂直信号線がそれぞれ配線された構成となっている。そして、各画素からの画素信号が、垂直選択回路からS/H&CDS回路、水平選択回路に読み出される。垂直選択回路、S/H・CDS回路及び水平選択回路の各動作は、タイミングジェネレータで発生される各種のタイミング信号に基づいて行われる。
[0045]
 図2は、CMOS固体撮像素子における、画素部および周辺回路部の構造の一例を示す断面図である。本実施形態に係るCMOS固体撮像素子では、半導体基体に対して、配線層と反対側の面(裏面)側から入射光を取り込むことから、裏面照射型の画素構造となっている。裏面照射型画素構造とすることにより、マイクロレンズからフォトダイオード(光電変換部)までの間に配線層が形成されないことから、画素の配線の自由度が高くなり、画素の微細化を図ることができる。
[0046]
 裏面照射型のCMOS固体撮像素子は、半導体基体30に形成される活性層に、入射光を電気信号に変換する光電変換部(例えばフォトダイオード)35と、トランジスタ37等とを有する複数の画素部が形成されている。トランジスタ37は、転送トランジスタ、増幅トランジスタ、リセットトランジスタ等からなり、図2ではその一部を図示している。半導体基体30には、例えばシリコン基体を用いる。さらに、各光電変換部35から読み出した信号電荷を処理する信号処理部(図示せず)が形成されている。また、半導体基体30において、上記画素部の周囲の一部、例えば行方向もしくは列方向の画素部間には、素子分離領域36が形成されている。
[0047]
 また、上記光電変換部35が形成された半導体基体30の表面側(図面では半導体基体30の下側)には配線層32が形成されている。この配線層32は、配線33とこの配線33を被覆する絶縁層34とからなる。配線層32は、半導体基体30の反対側の面に、支持基板31が備えられている。この支持基板31は、例えばシリコン基体からなる。
[0048]
 さらに、図2に示すCMOS固体撮像素子は、半導体基体30の裏面側(図面では半導体基体30の上側)に光透過性を有する第1平坦化層19が形成されている。この第1平坦化層19上には、カラーフィルタ20が配置されている。
 そして、カラーフィルタ20上には、第2平坦化層21が形成されている。第2平坦化層21上には、応力緩和層22が形成されている。そして、応力緩和層22上に、表面に凸状曲面(レンズ面)が形成されたマイクロレンズ層23が配置されている。さらに、マイクロレンズ層23上には、表面が平坦化された透明樹脂層24が設けられている。
[0049]
 半導体基体30の裏面側に形成される第1平坦化層19、カラーフィルタ20、第2平坦化層21、応力緩和層22、マイクロレンズ層23、及び、透明樹脂層24は、上述の第1実施形態のCCD固体撮像素子と同様の構成とすることができる。
[0050]
 上述の構成の裏面照射型のCMOS固体撮像素子では、有機材料層と無機材料層の積層体において、その中間の異なる膜応力値を有する応力緩和層22が介在して形成されている。この構成により、有機材料層、応力緩和層22及び無機材料層からなる積層体において、互いの層の膜応力差を緩和することができる。従って、膜応力差が大きい無機材料層と有機材料層との積層体を構成した場合にも、膜応力差に起因した表面不具合の発生を抑制することができる。
 上述のように、裏面照射型のCMOS固体撮像素子においても、有機材料層と無機材料層との間に応力緩和層を備えることにより、第1実施形態に示したCCD固体撮像素子と同様の効果を得ることができる。
[0051]
〈3.固体撮像素子の第3実施形態〉
 上述の第2実施形態では、本発明を適用する固体撮像素子として、裏面照射型のCMOS固定撮像素子の例を示したが、配線層側を表面側とし、配線層側から入射光を取り込む画素構造、いわゆる表面照射型のCMOS固体撮像素子にも適用することができる。
 図3に、表面照射型のCMOS固体撮像素子の概略構成を表す断面図を示す。なお、上述の図1、2に示した第1実施形態及び第2実施形態と同様の構成については、同じ符号を用いて説明を省略する。
[0052]
 図3に示す表面照射型のCMOS固体撮像素子は、半導体基体38に、入射光を電気信号に変換する光電変換部(例えばフォトダイオード)35と、トランジスタ37等とを有する複数の画素部が形成されている。トランジスタ37は、転送トランジスタ、増幅トランジスタ、リセットトランジスタ等からなり、図3ではその一部を図示している。半導体基体38には、例えばシリコン基体を用いる。さらに、各光電変換部35から読み出した信号電荷を処理する信号処理部(図示せず)が形成されている。
[0053]
 また、上記光電変換部35が形成された半導体基体38の表面側(図面では半導体基体30の上側)には配線層32が形成されている。この配線層32は、配線33とこの配線33を被覆する絶縁層34とからなる。
[0054]
 さらに、上記CMOS固体撮像素子には、配線層32上に光透過性を有する第1平坦化層19が形成されている。この第1平坦化層19上には、カラーフィルタ20が配置されている。
 そして、カラーフィルタ20上には、第2平坦化層21が形成されている。第2平坦化層21上には、応力緩和層22が形成されている。そして、応力緩和層22上に、表面に凸状曲面(レンズ面)が形成されたマイクロレンズ層23が配置されている。さらに、マイクロレンズ層23上には、表面が平坦化された透明樹脂層24が設けられている。
[0055]
 半導体基体38の表面側に形成される配線層32は、上述の第2実施形態のCMOS固体撮像素子の構成と同様の構成とすることができる。また、配線層32上に形成される、第1平坦化層19、カラーフィルタ20、第2平坦化層21、応力緩和層22、マイクロレンズ層23、及び、透明樹脂層24は、上述の第1実施形態のCCD固体撮像素子の構成と同様の構成とすることができる。
[0056]
 上述の構成の表面照射型のCMOS固体撮像素子では、有機材料層と無機材料層の積層体において、その中間の異なる応力値を有する応力緩和層22が形成されていることにより、互いの層の膜応力差を緩和する機能を有する。この結果、無機材料層と有機材料層とを積層した場合にも、膜応力差に起因した表面不具合の発生を抑制することができる。
 従って、上述の構成の表面照射型のCMOS固体撮像素子においても、有機材料層と無機材料層との間に応力緩和層を備えることにより、第1実施形態に示したCCD固体撮像素子と同様の効果を得ることができる。
[0057]
〈4.固体撮像素子の製造方法の実施の形態〉
 次に、本発明の固体撮像素子の製造方法の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の製造工程図は、上述の第1実施形態のCCD固体撮像素子、第2及び第3実施形態のCMOS固体撮像素子の受光領域において共通の構成である、カラーフィルタよりも上層の構成の断面図である。なお、以下の製造工程図、及び、製造工程図を用いた製造方法の説明では、受光領域上に形成するカラーフィルタよりも上層の構成のみを示し、その他の構成については図示を省略する。また、以下の製造方法の説明では、固体撮像素子の一例として、図1にしめす第1実施形態のCCD固体撮像素子の製造方法について説明する。
[0058]
 まず、半導体基体の主面側に、既知の方法にしたがって、各種不純物領域の形成を行う。半導体基体の主面側、例えばp型のシリコン基体に、例えばリン等のn型の不純物をイオン注入等の手段によって導入することにより、フォトダイオードである光電変換部を形成する。そして、同様にn型又はp型の不純物イオンを導入することにより、チャネルストップや転送チャネル等を形成する。
 また、上記の素子を形成した半導体基体上に、熱酸化膜法等により絶縁層を形成する。そして、絶縁層上にCVD法等を用いてポリシリコン層等を形成した後、ドライエッチング等を用いて所定の形状に選択的にエッチングし、転送電極を形成する。さらに、転送電極の上面及び側面を覆うように、例えば酸化シリコン等の絶縁層を形成する。また、絶縁層上にタングステンなどの高融点金属膜をCVD法により形成し、この高融点金属膜を光電変換部の上方で開口するようにパターンニングして遮光層を形成する。
[0059]
 次に、遮光層およびその開口部上にPSGまたはBPSGからなる第1光透過絶縁層を形成する。第1光透過絶縁層の形成後、例えば900℃~1000℃に加熱してリフローすることにより、下地の転送電極および遮光膜の段差形状を反映し、第1光透過絶縁層に光電変換部上方で同じ大きさの凹部が形成される。そして、第1光透過絶縁層上にプラズマCVD法を用いた窒化シリコン(P-SiN)層により、第2光透過絶縁層を形成する。第2光透過絶縁層上に、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、イソシアネート樹脂等を用いたスピンコート法等を用いて、第1平坦化層を形成する。
[0060]
 次に、図4のAに示すように、第1平坦化層上に光電変換部に対応するカラーフィルタ20を形成する。そして、カラーフィルタ20上に第2平坦化層21を形成する。
 カラーフィルタ20は、公知の方法、例えば染色法により形成する。染色法では、樹脂材料に感光剤を添加して塗布し、露光、現像、染色および定着を各色で繰り返すことによりカラーフィルタ20を形成する。また、その他の方法、例えば分散法、印刷法または電着法などを用いてカラーフィルタ20を形成してもよい。
 第2平坦化層21は、有機樹脂系材料、特に、アクリル系樹脂材料、スチレン系樹脂材料、エポキシ系樹脂材料等の熱硬化透明樹脂材料を用いて形成する。第2平坦化層21を薄く平坦化するためには、熱硬化性に加えて、熱可塑性も同時に有する樹脂材料を用いることが好ましい。第2平坦化層21は具体的には、冨士薬品工業(株)製のFOC-UV27等の材料を用いることができる。
 また、第2平坦化層21は、上記材料をカラーフィルタ20上にスピンコーティング法により塗布し、カラーフィルタ等の耐熱劣化が起こらない温度、例えば、200-230℃にて数分間、熱硬化処理を行うことにより形成する。
[0061]
 次に、図4のBに示すように、第2平坦化層21上に応力緩和層22を形成する。第2平坦化層21は、例えばプラズマCVD法を用いてSiN、SiO、SiON等を、上記と同様に200-230℃にて数分間、形成処理を行う。
[0062]
 次に、図4のCに示すように、応力緩和層22上に、マイクロレンズ層23を形成する。マイクロレンズ層23は、プラズマCVD法を用いてSiN等の無機材料を、200-230℃にて数分間、形成処理を行う。
[0063]
 次に、図5のDに示すように、マイクロレンズ層23上にレジスト層25を塗布しフォトリソグラフィによりパターニング形成後に熱硬化処理し、レジスト層25をレンズ形状に加工する。レンズ形状への加工は、i線ステッパー等の露光処理により行う。レジスト層25を形成するレジスト材料としては、耐熱性が低い材料が適している。レジスト材料としては、例えば住友化学(株)のPFI-65等の材料を用いることができる。
[0064]
 次に、図5のEに示すように、レジスト層25をマスクとしてエッチング加工を行い、マイクロレンズ層23をレンズ形状に加工する。マイクロレンズ層23を構成するSiN等の無機材料層のエッチングは、例えば、CF /O ガス等を用いたプラズマドライエッチング法により行う。
[0065]
 次に、図5のFに示すように、レンズ形状に加工したマイクロレンズ層23上に、透明樹脂層24を形成する。透明樹脂層24は、スピンコーティング法等を用いて、有機樹脂系材料等を塗布し、カラーフィルタ等の耐熱劣化が起こらない温度、例えば200-230℃にて数分間熱硬化処理を行うことにより形成する。透明樹脂層24を形成する材料としては、透明性を有し、屈折率が低い材料が好ましい。具体的には、JSR(株)製のTT8021等の材料を用いることができる。
[0066]
 以上の工程により、図1に示す構成のCCD固体撮像素子を製造することができる。
 なお、上記図4及び図5に示す工程に従い、裏面照射型のCMOS固体撮像素子、表面照射型のCMOS固体撮像素子についても、同様に製造することができる。
 裏面照射型のCMOS固体撮像素子の場合には、光電変換領域やトランジスタ群を半導体基体に形成した後、半導体基体の配線層と反対面に、上述の方法でカラーフィルタから透明樹脂層までを形成する。また、表面照射型のCMOS固体撮像素子の場合には、光電変換領域やトランジスタ群を半導体基体に形成した後、半導体基体上に配線層を形成する。そして、配線層上に上述の方法でカラーフィルタから透明樹脂層までを形成する。
 以上の方法により、上述の実施の形態による応力緩和層を設けたCMOS固体撮像素子を製造することができる。
[0067]
 なお、上述の製造方法の実施の形態では、図4のBにおいて応力緩和層を1層形成する場合について示したが、有機材料層と無機材料層との間に形成される応力緩和層の層数はとくに限定されない。例えば、有機材料層と無機材料層との間に、例えばプラズマCVD法を用いたSiN、SiO、SiON等の応力緩和層を形成する工程を複数回繰り返し、異なる材料からなる応力緩和層を複数層設けることも可能である。このとき、応力緩和層を、隣接するそれぞれの層における膜応力差が小さくなるように調整することで、各層の界面における表面不具合の発生を、より抑制することが可能である。
[0068]
 なお、上記第2平坦化層をアクリル系熱可塑硬化材料とし、マイクロレンズ層を低温SiNにより形成する場合、応力緩和層を低温SiONにより形成することで、新たなプロセス工程を追加することなく固体撮像素子を製造することができる。この方法は、応力緩和層を構成するSiON層と、マイクロレンズ層を構成するSiN層とを、同一CVDプロセス内で連続形成することができるため簡便性に優れる。
[0069]
 さらに、レジスト層を用いてマイクロレンズ層をエッチバックする工程において、マイクロレンズ層の下部に応力緩和層を構成するSiON層が無い場合は、時間制限でエッチングの停止時間を設定する必要がある。この場合、構造上のバラツキが増加する可能性がある。これに対し、マイクロレンズ層の下部にSiON層からなる応力緩和層を設けることにより、SiON層がエッチングストッパ層として機能するため、精度よくエッチングストップを設定することができる。従って、応力緩和層をSiONにより形成することにより、マイクロレンズにおける構造バラツキが低減し、集光特性の向上をもたらすことができる。
[0070]
〈5.電子機器の実施の形態〉
 本発明に係る固体撮像素子は、固体撮像素子を備えたカメラ、カメラ付き携帯機器、固体撮像素子を備えたその他の機器、等の電子機器に適用することができる。
 図6に、本発明の電子機器の一例として、固体撮像素子を静止画撮影が可能なデジタルスチルカメラに適用した場合の概略構成を示す。
[0071]
 本実施の形態に係るカメラ40は、光学系(光学レンズ)41と、固体撮像素子42と、信号処理回路43、駆動回路44とを備える。
[0072]
 固体撮像素子42は、上述の固体撮像素子が適用される。光学レンズ41は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像素子42の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像素子42の光電変換素子において一定期間信号電荷が蓄積される。駆動回路44は、固体撮像素子42の転送動作信号を供給する。駆動回路44から供給される駆動信号(タイミング信号)により、固体撮像素子42の信号転送が行われる。信号処理回路43は、固体撮像素子42の出力信号に対して種々の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、又はモニタ等に出力される。本実施の形態のカメラ40は、光学レンズ41、固体撮像素子42、信号処理回路43、及び、駆動回路44がモジュール化したカメラモジュールの形態を含む。
[0073]
 本発明は、図6のカメラ、あるいはカメラモジュールを備えた例えば携帯電話に代表されるカメラ付き携帯機器などを構成することができる。
 さらに、図6の構成は、光学レンズ41、固体撮像素子42、信号処理回路43、及び、駆動回路44がモジュール化した撮像機能を有するモジュール、いわゆる撮像機能モジュ-ルとして構成することができる。本発明は、このような撮像機能モジュールを備えた電子機器を構成することができる。
[0074]
 なお、本発明は上述の実施形態例において説明した構成に限定されるものではなく、その他本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能である。

符号の説明

[0075]
 11,30,38 半導体基体、12,35 光電変換部、13 電荷転送部、14 電荷転送電極、15 絶縁層、16 遮光層、17 第1光透過絶縁層、18 第2光透過絶縁層、19 第1平坦化層、20,101 カラーフィルタ、21 第2平坦化層、22 応力緩和層、23,103 マイクロレンズ層、24,104 透明樹脂層、25,105 レジスト層、31 支持基板、32 配線層、33 配線、34 絶縁層、36 素子分離領域、37 トランジスタ、40 カメラ、41 光学系(光学レンズ)、42 固体撮像素子、43 信号処理回路、44 駆動回路、102 平坦化層

請求の範囲

[請求項1]
 半導体基体と、
 前記半導体基体に形成されている光電変換部と、
 前記半導体基体上に、少なくとも1層以上の応力緩和層を介して積層されている有機材料層と無機材料層と、を備える
 固体撮像素子。
[請求項2]
 前記応力緩和層の膜応力が、前記有機材料層の膜応力と前記無機材料層の膜応力との間で、前記有機材料層及び前記無機材料層と異なる値を有する請求項1に記載の固体撮像素子。
[請求項3]
 前記有機材料層が平坦化層であり、前記無機材料層がマイクロレンズ層である請求項2に記載の固体撮像素子。
[請求項4]
 前記応力緩和層がSiO、SiN、及び、組成式SiO (但し、0<X≦1,0<Y≦1)で表されるシリコン化合物から選ばれる少なくとも1つ以上の材料から形成されている請求項1に記載の固体撮像素子。
[請求項5]
 前記応力緩和層の屈折率が1.4~2.0である請求項1に記載の固体撮像素子。
[請求項6]
 半導体基体に光電変換部を形成する工程と、
 前記半導体基体上に、少なくとも1層以上の応力緩和層を介在させて、有機材料層と無機材料層との積層体を形成する工程と、を有する
 固体撮像素子の製造方法。
[請求項7]
 半導体基体、半導体基体に形成されている光電変換部、半導体基体上に少なくとも1層以上の応力緩和層を介して積層されている有機材料層と無機材料層とを備える固体撮像素子と、
 前記固体撮像素子の撮像部に入射光を導く光学系と、
 前記固体撮像素子の出力信号を処理する信号処理回路と、を有する
 電子機器。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]