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TWI472021B - A solid-state imaging device and a method for manufacturing a solid-state imaging device, an electronic device having a solid-state imaging device - Google Patents

A solid-state imaging device and a method for manufacturing a solid-state imaging device, an electronic device having a solid-state imaging device Download PDF

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Publication number
TWI472021B
TWI472021B TW100124391A TW100124391A TWI472021B TW I472021 B TWI472021 B TW I472021B TW 100124391 A TW100124391 A TW 100124391A TW 100124391 A TW100124391 A TW 100124391A TW I472021 B TWI472021 B TW I472021B
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TW
Taiwan
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solid
state imaging
imaging device
material layer
Prior art date
Application number
TW100124391A
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English (en)
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TW201214687A (en
Inventor
Kensaku Maeda
Hiroyasu Matsugai
Yusuke Moriya
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Publication of TW201214687A publication Critical patent/TW201214687A/zh
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Description

固體攝像元件及固體攝像元件之製造方法、具有固體攝像元件之電子機器
本發明係關於一種像素上具有微透鏡之固體攝像元件及具有微透鏡之固體攝像元件之製造方法、以及使用固體攝像元件之電子機器。
近年來，如以行動電話等為代表，使用相機模組之電子機器被要求小型化及薄型化。故，先前之於陶瓷封裝內配置固體攝像元件，將表面以玻璃板接著而密封之封裝構造，日漸難以滿足上述小型化及薄型化之要求。
因此，於微透鏡陣列上直接黏貼玻璃板進行覆晶安裝之封裝構造的開發正在進展中。例如，將透明的較硬之材料設為保護層以覆蓋單片微鏡頭。如此，藉由設置保護層而無需專用的封裝，使得切割後之每個固體攝像元件晶片之作業減少，故可使步驟簡略化。再者，由於保護層較硬，且表面平坦化，故即使有灰塵附著之情形下仍不會對其造成損傷，可輕易地拭去。
又，近年來，隨著固體攝像元件之小型化、高像素化之光電轉換部面積的減少導致感度降低已成為問題。為解決該問題，已開始使用光電轉換部上具有微透鏡之彩色固體攝像元件。
根據先前之微透鏡構造，在攝像機的透鏡光圈直徑充分小，且垂直光入射於彩色固體攝像元件之情形下，入射光可毫無問題地集光於光電轉換部。然而，在開放地接近攝像機之透鏡光圈之情形下，無法於光電轉換部集光之斜光成分會增大，因而有彩色固體攝像元件之感度不能有效地提高之問題。
針對上述問題，提案有於微透鏡上以例如具有透明性之樹脂材料使其平坦化，即固體攝像元件之最上面實質為平坦面之構造。圖7係顯示具有上述構成之固體攝像元件之彩色濾光片上之概略構成。根據該構成之固體攝像元件，於彩色濾光片101上形成有平坦化層102，於該平坦化層102上設有微透鏡層103。再者，於微透鏡層103上設有表面經平坦化之透明樹脂層104。
然而，若微透鏡層103之折射率n1與透明樹脂層104之折射率n2之差較小，則不能充分獲得根據微透鏡層103之光的聚焦效果。即，根據圖7所示之設有微透鏡與樹脂平坦化膜之集光構造，較之微透鏡層103之上方為空氣層之先前之集光構造，其集光率為半數以下。
作為改善上述集光特性之問題之方法，已提案有使微透鏡具有較上述透明樹脂層更大之折射率之構造(例如，參照專利文獻1)。藉由設置如此之構造，在以樹脂等覆蓋受光面之情形下，仍可較好地維持微透鏡之集光性能。該方法具體係藉由使用氮化矽膜(SiN)之回蝕法形成微透鏡之方法。
圖8係顯示利用回蝕法形成微透鏡之方法。
回蝕法如圖8A所示，係於彩色濾光片101上形成平坦化層102。其後，於平坦化層102上藉由例如氮化矽膜(SiN)以電漿CVD(Chemical Vapor Deposition：化學氣相沉積)法形成具有透光性之微透鏡層103。繼而，於微透鏡層103上形成抗蝕劑層105。且，如圖8B所示，利用光微影將抗蝕劑層105圖案加工成透鏡形狀之後，實施熱處理而形成抗蝕劑圖案。又，如圖8C所示，將形成有透鏡圖案之抗蝕劑層105作為遮罩對微透鏡層103進行蝕刻，將其加工成透鏡形狀。
根據上述構成，由於微透鏡包含氮化矽膜(SiN)，故其折射率為「2」左右。與此相對，覆蓋微透鏡之透明樹脂係折射率為「1.5」左右之丙烯酸系樹脂、環氧系樹脂、苯乙烯系樹脂等。因此，可確保微透鏡之集光性能。另，利用電漿CVD法之氮化矽膜之成膜溫度，須以較有機樹脂或彩色濾光片之耐熱溫度更加充分低的溫度適宜地成膜。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2003-338613號公報
然而，根據上述使用回蝕法之微透鏡之形成方法，係以透明平坦化層將彩色濾光片上平坦化，於其上成膜上述氮化矽膜(SiN)。將彩色濾光片設為例如綠色、紅色、藍色之拜耳陣列之情形下，為提高固體攝像元件的感度特性及色彩再現性，有必要於各色達成最適宜之分光特性。故，一般每種顏色之厚度不同。因此，為獲得上述微透鏡形成之光微影製程之安定性，以透明平坦化層將彩色濾光片上平坦化之製程較為普遍。
另，該透明平坦化層宜為廉價且具有透明性及耐熱性等之材料，一般係使用丙烯酸系樹脂材料、苯乙烯系樹脂材料、環氧系樹脂材料等。再者，由於縱向結構之低層化乃提高固體攝像元件之集光特性所必須，故期望更薄地形成該平坦化層。因此，透明平坦化層宜為使用兼具熱可塑性與熱硬化性之上述樹脂材料。
然而，上述丙烯酸系樹脂材料、及苯乙烯系樹脂材料、環氧系樹脂材料等之樹脂材料，一般情形下其膜應力較低。特別係在兼具熱可塑性與熱硬化性之情形下，其膜應力之低下尤為顯著。但，形成微透鏡層之氮化矽膜(SiN)在兼具透明性與高折射率之情形下，其膜應力有增高之傾向。
在積層有如樹脂材料與SiN般之膜應力有較大不同之層之情形下，將會於圖9A所示之微透鏡層103之表面產生褶皺、變形等問題。圖9B及圖9C係顯示發生於微透鏡層103之表面褶皺、變形所引起之表面不佳之樣態之圖。又，圖9D係用於與圖9B及圖9C對比，顯示表面未發生不良情形之狀態下之微透鏡層103之表面的樣態之圖。該褶皺、變形發生於平坦化層102與微透鏡層103之介面。且，該平坦化層102與微透鏡層103之介面所產生之褶皺、變形亦同樣地被轉印至微透鏡層103表面。
如此，根據膜應力之差較大之積層結構導致產生如褶皺、變形般之表面狀況不佳之情形下，在用以形成利用抗蝕劑層之透鏡圖案之光微影中，曝光步驟中多有散焦之虞。因此而導致晶圓面內或晶片內之線寬均勻性等劣化，成為引起固體攝像元件之集光特性劣化之原因。
為解決上述問題，本發明提供一種集光特性優越之固體攝像元件、固體攝像元件及高感度特性優越之電子機器。
本發明之固體攝像元件具有半導體基體、與形成於半導體基體之光電轉換部，且，具有介隔至少一層以上之應力緩和層而積層於半導體基體上之有機材料層與無機材料層。
又，本發明之電子機器具有上述之固體攝像元件、將入射光導入至固體攝像元件之攝像部之光學系統、及處理固體攝像元件之輸出信號之信號處理電路。
又，本發明之固體攝像元件之製造方法，其包含以下步驟：於半導體基體上形成光電轉換部；及介隔至少一層以上之應力緩和層而於半導體基體上形成有機材料層與無機材料層之積層體。
根據上述固體攝像元件及固體攝像元件之製造方法，半導體基體上形成有無機材料層與有機材料層，且該無機材料層與有機材料層之間形成有應力緩和層。藉由在膜應力差較大之無機材料層與有機材料層之間具備用以緩和該膜應力差之應力緩和層，可抑制各層介面上由膜應力差所引起之表面不佳狀況。故，可提高固體攝像元件之集光特性。
又，根據本發明之電子機器，藉由具備根據抑制表面不佳狀況而提高集光特性之上述固體攝像元件，可實現高感度化。
根據本發明，可提供集光特性優越之固體攝像元件及高感度特性優越之電子機器。
以下，茲說明用以實施本發明之最佳形態之例，但本發明並非限定於以下之例。
且，將根據以下之順序進行說明。
1.　固體攝像元件之第1實施形態
2.　固體攝像元件之第2實施形態
3.　固體攝像元件之第3實施形態
4.　固體攝像元件之製造方法
5.　電子機器之實施形態
<1.　固體攝像元件之第1實施形態>
以下就本發明之固體攝像元件之具體實施形態進行說明。
圖1係作為本實施形態之固體攝像元件之概略構成圖，顯示CCD(Charge Coupled Device：電荷藕合元件)固體攝像元件之剖面圖。
本實施形態之CCD固體攝像元件之攝像部，雖未特別圖示，但有長形之電荷傳送部沿著一方向(垂直傳送方向)形成多個平行條紋狀，其各分離空間內，與電荷傳送部平行地組成行地配置有一行像素之光電轉換部。光電轉換部行與其一方側之電荷轉換部之間，於各像素上設置有讀取閘極部。又，光電轉換部行與其另一方側之其他電荷傳送部之間，設置有溝道截斷環，其係防止各光電轉換部所產生之信號電荷洩漏至其他之電荷傳送部。
圖1所示之CCD固體攝像元件，形成於半導體基體11之第1導電型，例如p型井區域之表面部，形成有第2導電型，例如包含n型雜質區域之光電轉換部12。藉由以半導體基體11與光電轉換部12間之pn接合為中心之區域之光電轉換而使信號電荷產生，並在一定時間內將信號電荷蓄積於光電轉換部12。
又，與光電轉換部12分別保持特定距離，主要形成有包含第2導電型之雜質區域之電荷傳送部13。另，雖省略圖示，但在光電轉換部12與一方之電荷傳送部13之間，形成有形成讀取閘極部之可變勢壘之第1導電型之雜質區域。且，在光電轉換部12與另一方之電荷傳送部13之間，形成有作為溝道截斷環之高濃度的第1導電型純物區域，其直至半導體基體11之深部。
於半導體基體11上形成有氧化矽等之絕緣層15。又，於電荷傳送部13之上方之絕緣層15上形成有包含多晶矽等之電荷傳送電極14。根據光電轉換部12處之光電轉換所得之信號電荷，係介由讀取閘極部而讀出至一方之電荷傳送部13。且，利用4相等之垂直傳送時鐘信號來驅動電荷傳送電極14，藉此將信號電荷於電荷傳送部13內朝特定方向依序傳送。其後，將作為每列之信號電荷即未圖示之被釋放至水平傳送部之信號電荷，在水平傳送部內利用例如2相之水平時鐘信號予以傳送後，將其作為攝像信號輸出至外部。
電荷傳送電極14上，與半導體基體11上同樣地形成有氧化矽等絕緣層15。又，絕緣層15上形成有例如包含鎢(W)等之高熔點金屬之遮光層16。遮光層16具有於光電轉換部12之上方開口之開口部。開口部之周緣位於電荷傳送電極14之階差稍內側。其理由係為提高遮光層16相對電荷傳送部13之遮光性，抑制塗抹。
覆蓋遮光層16上及半導體基體11內，形成有包含例如PSG(Phosphosilicate glass，磷矽酸玻璃)或BPSG(Borophosphosilicate glass，硼磷矽玻璃)等之第1光透射絕緣層17。於光電轉換部12之正上之第1光透射絕緣層17上形成有具有反映底層之電荷傳送電極14及遮光層16之階差之形狀的曲面之凹部。
第1光透射絕緣層17上，有包含折射率較第1光透射絕緣層17高之材料，例如利用電漿CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣象沉積)法形成之氮化矽(P-SiN)等之第2光透射絕緣層18，以填補第1光透射絕緣層17之凹部而形成。第2光透射絕緣層18之表面被平坦化，且藉由該等第1、第2光透射絕緣層17、18而形成有層內透鏡。
第2光透射絕緣層18上形成有第1平坦化層19。第1平坦化層19上配置有彩色濾光片20。
第1平坦化層19係為了將形成有彩色濾光片20之第2光透射絕緣層18之上部平坦化而設置。又，具有作為形成於第1平坦化層19上之彩色濾光片之反射防止層之作用。第1平坦化層19宜為廉價且具有透明性及耐熱性等之材料，例如以丙烯酸系樹脂材料、苯乙烯系樹脂材料、及環氧系樹脂材料等形成。又，第1平坦化層19亦可利用氮化矽膜(SiN)等無機材料形成，作為鈍化層(保護層)。
彩色濾光片20係進行原色系之顏色編碼，將以邊界區域所劃分之光透射區域著色為紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)之任一色。另，進行補色系之顏色編碼之彩色濾光片，係被著色為黃色(Ye)、品紅(Mg)、青色(Cy)、綠色(G)等任一色。又，為提高固體攝像元件之感度特性及色彩再現性，有必要使彩色濾光片20之各過濾器達成最適宜之分光特性，使各色過濾器之厚度有所不同。
彩色濾光片20上形成有第2平坦化層21。第2平坦化層21係為了以透明平坦化層將如上所述之各色厚度不同之彩色濾光片20上平坦化而形成。第2平坦化層21以廉價且具有透明性及耐熱性等之材料為宜，較好為使用丙烯酸系熱硬化樹脂材料、及苯乙烯系樹脂材料、環氧系樹脂材料等。再者，在進行縱向結構之低層化以提高固體攝像元件之集光特性之情形下，較好為使用兼具熱可塑性與熱硬化性之丙烯酸系樹脂材料、及苯乙烯系樹脂材料、環氧系樹脂材料等。
第2平坦化層21上形成有應力緩和層22。且，應力緩和層22上配置有表面形成有凸狀曲面(透鏡面)之微透鏡層23。
微透鏡層23係由例如利用回蝕法形成之氮化矽層(SiN)構成，其折射率為2左右。
微透鏡層23之透鏡面所接收之光被集光，且於上述層內透鏡被進一步集光，入射至光電轉換部12。微透鏡層23係以儘可能減少成為無效區域之間隙的方式形成於CCD成像儀表面，亦有效利用遮光膜上方之光，使其入射至光電轉換部12，故可提高像素之感度。
應力緩和層22係為了緩和上述包含有機材料之第2平坦化層與包含無機材料之微透鏡層23之膜應力的差而設置。
如上所述，有機材料層與無機材料層，其膜應力有很大差異。故，若將包含SiN等之無機材料之微透鏡層23與包含樹脂材料等之有機材料之第2平坦化層21以直接接合之形式積層，則在其介面會因膜應力差而產生褶皺、變形。即，在將無機材料層與有機材料層積層之情形下，會於積層介面產生由膜應力差導致之膜形狀之不佳。
與此相對，根據圖1所示構成之固體攝像元件，於有機材料層與無機材料層之積層體中，形成有具有介於有機材料層與無機材料層之膜應力值之間，且與該等膜應力值不同之應力值之應力緩和層22。即，使無機材料層與有機材料層之間介隔膜應力關係滿足無機材料層＞應力緩和層＞有機材料層之關係之應力緩和層。
如上所述，於有機材料層上形成無機材料層之前，藉由形成膜應力具有介於有機材料層與無機材料層之間之值的材料之層，可賦與其緩和層相互間之膜應力差之作用。因此，在積層有無機材料層與有機材料層之情形下，亦可抑制由膜應力差所導致之表面不佳的產生。其結果，可抑制產生於積層介面之表面上之褶皺、變形之不佳狀況，且於其後之光微影製程中毫無問題地形成圖案。從而，可避免固體攝像元件之集光特性的劣化。
應力緩和層21之材質宜為無機系者，利用低溫CVD法之成膜方法較佳。具體而言，較好為以例如SiO、SiN、及組成式SiOX NY (其中，0<X≦1，0<Y≦1，以下標記為SiON)表示之矽化合物。
又，將第2平坦化層21作為丙烯酸系熱可塑硬化材料，將微透鏡層23作為低溫SiN膜為宜。該情形下，藉由將該應力緩和層22作為低溫SiON膜，可無須追加新的步驟而在同一CVD製程內形成應力緩和層22(SiON)與微透鏡層23(SiN)，其簡便性優越。
又，應力緩和層22之光學特性，較好的是其折射率為1.4~2.0，具有透明性。特別是在利用SiON形成應力緩和層22之情形下，由於折射率為1.6~1.9，故可減少SiN之微透鏡層23(折射率：1.8~2.0)與丙烯酸樹脂系之第2平坦化層21(折射率：1.4~1.5)之介面反射。其結果，可提高固體攝像元件之集光特性。
應力緩和層22之膜應力宜為-100~100 Mpa。另，此處所示之膜應力係利用薄膜應力測定器(晶圓翹曲測定裝置FSM 500 TC(株式會社Vision))測定之值。以下所記載之膜應力值亦同樣為利用上述測定器所測定之值。
微透鏡層23上設置有表面經平坦化之透明樹脂層24。透明樹脂層24係由折射率為1.5左右之有機材料構成，例如丙烯酸系樹脂、環氧系樹脂、苯乙烯系樹脂等。
由於構成微透鏡層23之SiN之折射率為2左右，構成透明樹脂層24之有機材料之折射率為1.5左右，故可確保固體攝像元件中利用微透鏡之集光性能。
又，上述實施形態中已顯示形成1層之應力緩和層之情形，但有機材料層與無機材料層之間所形成之應力緩和層之層數並無特別的限定。例如，亦可於有機材料層與無機材料層之間設置複數層包含不同材料之應力緩和層。此時，藉由調整應力緩和層至其鄰接之各層之膜應力差較小，可進一步抑制於各層介面產生表面不佳之狀況。
<2.　固體攝像元件之第2實施形態>
上述第1實施形態就本發明適用於作為固體攝像元件之例之CCD固體攝像元件之情形進行了說明，但其亦適用於其他固體攝像元件。
固體攝像元件大致可區分為以CCD固體攝像元件為代表之電荷傳送型固體攝像元件、與以CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互補型金屬氧化物半導體)固體攝像元件為代表之X-Y位址型固體攝像元件。此處，關於X-Y位址型固體攝像元件，以CMOS固體攝像元件為例，利用圖2說明其剖面構造之一例。另，與上述圖1所示之第1實施形態相同之構成，係使用相同符號且省略說明。
CMOS固體攝像元件，雖未特別圖示，但其像素部、垂直(V)選擇電路、S/H(Sample/Hold：取樣保持)‧CDS(Correlated Double Sampling：相關雙取樣)電路、水平(H)選擇電路、及時序產生器(TG)等係搭載於同一基板上。像素部之構成係，後述之單位像素以多數配列為列行狀，且列單位、行單位中分別配線有位址線等、垂直信號線。且，來自各像素之像素信號係自垂直選擇電路讀出至S/H&CDS電路、水平選擇電路。垂直選擇電路、S/H‧CDS電路、及水平選擇電路各自之動作，係基於時序產生器所產生之各種時序信號而進行。
圖2係顯示CMOS固體攝像元件中之像素部及周邊電路部之構造的一例之剖面圖。根據本實施形態之CMOS固體攝像元件，係相對於半導體基體，自配線層之相對側之面(背面)側吸收入射光，故其為背面照射型之像素構造。藉由設置背面照射型像素構造，因自微透鏡至光電二極體(光電轉換部)之間未形成有配線層，故像素之配線之自由度增高，可謀求像素之微細化。
背面照射型之CMOS固體攝像元件於形成有半導體基體30之活性層上形成有複數個像素部，其具有將入射光轉換為電氣信號之光電轉換部(例如光電二極體)35、與電晶體37等。電晶體37包含傳送電晶體、放大電晶體、復位電晶體等，圖2係顯示其一部分。半導體基體30係使用例如矽基體。再者，形成有處理自各光電轉換部35讀出之信號電荷之信號處理部(未圖示)。又，半導體基體30中，於上述像素部周圍之一部分，例如列方向或是行方向之像素部間形成有元件分離區域36。
又，形成有上述光電轉換部35之半導體基體30之表面側(圖面中為半導體基體30之下側)形成有配線層32。該配線層32包含配線33與被覆該配線33之絕緣層34。配線層32於半導體基體30之相對側之面上具有支持基板31。該支持基板31包含例如矽基體。
再者，圖2所示之CMOS固體攝像元件於半導體基體30之背面側(圖面中為半導體基體30之上側)形成有具有透光性之第1平坦化層19。該第1平坦化層19上配置有彩色濾光片20。
且，彩色濾光片20上形成有第2平坦化層21。第2平坦化層21上形成有應力緩和層22。且，於應力緩和層22上配置有表面形成有凸狀曲面(透鏡面)之微透鏡層23。再者，於微透鏡層23上，設置有表面經平坦化之透明樹脂層24。
形成於半導體基體30之背面側之第1平坦化層19、彩色濾光片20、第2平坦化層21、應力緩和層22、微透鏡層23、及透明樹脂層24，可設為與上述第1實施形態之CCD固體攝像元件相同之構成。
根據上述構成之背面照射型CMOS固體攝像元件，在有機材料層與無機材料層之積層體中，其中間介隔形成有具有不同膜應力值之應力緩和層22。根據該構成，可緩和包含有機材料層、應力緩和層22及無機材料層之積層體中各層相互間之膜應力差。因此，即使在構成膜應力差較大之無機材料層與有機材料層之積層體之情形下，仍可抑制由膜應力差所導致之表面不佳狀況的發生。
如上所述，在背面照射型之CMOS固體攝像元件中，藉由於有機材料層與無機材料層間具備應力緩和層，亦可獲得與第1實施形態所示之CCD固體攝像元件相同之效果。
<3.　固體攝像元件之第3實施形態>
根據上述第2實施形態，作為適用本發明之固體攝像元件，已顯示背面照射型之CMOS固體攝像元件之例，但，其亦適用於以配線層側為表面側，自配線層側吸收入射光之像素構造，即所謂之表面照射型之CMOS固體攝像元件。
圖3係顯示表面照射型之CMOS固體攝像元件之概略構成之剖面圖。另，關於與上述圖1、2所示之第1實施形態及第2實施形態相同之構成，係使用同一符號且省略說明。
圖3所示之表面照射型之CMOS固體攝像元件，於半導體基體38上形成有具有將入射光轉換為電氣信號之光電轉換部(例如光電二極體)35、與電晶體37等之複數個像素部。電晶體37包含傳送電晶體、放大電晶體、復位電晶體等，圖3係顯示其一部分。半導體基體38係使用例如矽基體。再者，形成有處理自各光電轉換部35讀取之信號電荷之信號處理部(未圖示)。
又，於形成有上述光電轉換部35之半導體基體38之表面側(圖面中為半導體基體30之上側)形成有配線層32。該配線層32包含配線33與被覆該配線33之絕緣層34。
再者，於上述CMOS固體攝像元件中形成有於配線層32上具有透光性之第1平坦化層19。該第1平坦化層19上配置有彩色濾光片20。
且，於彩色濾光片20上形成有第2平坦化層21。第2平坦化層21上形成有應力緩和層22。且，應力緩和層22上配置有於表面形成凸狀曲面(透鏡面)之微透鏡層23。再者，微透鏡層23上設置有表面經平坦化之透明樹脂層24。
形成於半導體基體38之表面側之配線層32，可設為與上述第2實施形態之CMOS固體攝像元件之構成相同之構成。又，配線層32上所形成之第1平坦化層19、彩色濾光片20、第2平坦化層21、應力緩和層22、微透鏡層23、及透明樹脂層24，可設為與上述第1實施形態之CCD固體攝像元件之構成相同之構成。
在上述構成之表面照射型之CMOS固體攝像元件中，藉由於有機材料層與無機材料層之積層體中，形成其間具有不同應力值之應力緩和層22，從而具有緩和各層相互之膜應力差之功能。其結果，即使將無機材料層與有機材料層積層之情形下，亦可抑制由膜應力差而導致之表面不佳狀況的產生。
因此，即便是上述構成之表面照射型之CMOS固體攝像元件，藉由於有機材料層與無機材料層之間具備應力緩和層，亦可獲得與第1實施形態所示之CCD固體攝像元件相同之效果。
<4.　固體攝像元件之製造方法之實施形態>
以下將使用圖面就本發明之固體攝像元件之製造方法之實施形態進行說明。另，以下之製造步驟圖係於上述之第1實施形態之CCD固體攝像元件與第2及第3實施形態之CMOS固體攝像元件之受光區域之共通之構成，乃較彩色濾光片更上層之構成之剖面圖。另，在以下之製造步驟圖及使用製造步驟圖之製造方法之說明中，僅顯示形成於受光區域上之彩色濾光片更上層之構成，關於其他之構成則省略圖示。又，在以下的製造方法之說明中，作為固體攝像元件之一例，就圖1所示之第1實施形態之CCD固體攝像元件之製造方法進行說明。
首先，於半導體基體之主面側，根據已知之方法進行各種雜質區域之形成。於半導體基體之主面側，例如p型矽基體，以離子佈值等之方法導入例如磷等之n型雜質，藉此形成作為光電二極體之光電轉換部。且，同樣地藉由導入n型或p型之雜質離子，形成溝道截斷環或傳送通道等。
又，於形成有上述元件之半導體基體上，利用熱氧化膜法等形成絕緣層。且，於絕緣層上使用CVD法等形成多晶矽層等之後，利用回蝕等選擇性地將其蝕刻成特定形狀，形成傳送電極。再者，以覆蓋傳送電極之上面及側面之方式，形成例如氧化矽等之絕緣層。又，利用CVD法於絕緣層上形成鎢等之高熔點金屬膜，且以於光電轉換部之上方處開口之方式將該高熔點金屬膜圖案化而形成遮光層。
繼而，於遮光層及其開口部上形成包含PSG或BPSG之第1光透射絕緣層。第1光透射絕緣層形成之後，將其加熱至例如900℃~1000℃而迴流，藉此反映底層之傳送電極及遮光膜之階差形狀，且於第1光透射絕緣層於光電轉換部上方形成相同大小之凹部。其後，於第1光透射絕緣層上，利用使用電漿CVD法之氮化矽(P-SiN)層而形成第2光透射絕緣層。於第2光透射絕緣層上，利用使用例如丙烯酸樹脂、聚醯亞胺樹脂、異氰酸酯樹脂等之旋塗法等，形成第1平坦化層。
其後，如圖4A所示，於第1平坦化層上形成對應於光電轉換部之彩色濾光片20。且，於彩色濾光片20上形成第2平坦化層21。
彩色濾光片20係利用例如染色法之周知之方法而形成。染色法係於樹脂材料中添加感光劑而進行塗布，並以各色反復進行曝光、顯影、染色及定影，藉此而形成彩色濾光片20。此外，亦可利用其他之方法，例如分散法、印刷法或電沉積法等形成彩色濾光片20。
第2平坦化層21係使用有機樹脂系材料，特別是丙烯酸系樹脂材料、苯乙烯系樹脂材料、環氧系樹脂材料等熱硬化透明樹脂材料而形成。為了將第2平坦化層21較薄地平坦化，較好為使用除了熱硬化性外，亦同時具有熱可塑性之樹脂材料。具體而言，第2平坦化層21可使用富士藥品工業(株式會社)製造之FOC-UV27等材料。
又，第2平坦化層21，係利用旋塗法將上述材料塗布於彩色濾光片20上，且以不會使彩色濾光片等發生耐熱劣化之溫度，例如200-230℃進行數分鐘之熱硬化處理，藉此而形成。
其後，如圖4B所示，於第2平坦化層21上形成應力緩和層22。第2平坦化層21係利用例如電漿CVD法與上述同樣地以200-230℃對SiN、SiO、SiON等無機材料進行數分鐘之形成處理。
其後，如圖4C所示，於應力緩和層22上，形成微透鏡層23。微透鏡層23係利用電漿CVD法以200-230℃對SiN等無機材料進行數分鐘之形成處理。
其後，如圖5D所示，於微透鏡層23上塗布抗蝕劑層25，利用光微影形成圖案後進行熱硬化處理，將抗蝕劑層25加工成透鏡形狀。透鏡形狀之加工係藉由i線步進機等之曝光處理而進行。作為形成抗蝕劑層25之抗蝕材料，以低耐熱性之材料為宜。例如，可使用住友化學(株式會社)之PFI-65等材料作為抗蝕材料。
其後，如圖5E所示，以抗蝕劑層25為掩模進行蝕刻加工，將微透鏡層23加工成透鏡形狀。構成微透鏡層23之SiN等之無機材料層之蝕刻，係藉由使用例如CF4 /O2 氣體等之電漿乾式蝕刻法而進行。
其後，如圖5F所示，於加工成透鏡形狀之微透鏡層23上形成透明樹脂層24。透明樹脂層24，係利用旋塗法等塗布有機樹脂系材料等，且以不會使彩色濾光片等之耐熱劣化之溫度，例如200-230℃進行數分鐘之熱硬化處理，藉此而形成。作為形成透明樹脂層24之材料，較好為具有透明性、且折射率低之材料。具體而言，可使用JSR(株式會社)製造之TT8021等材料。
根據以上步驟，可製造圖1所示構成之CCD固體攝像元件。
另，根據上述圖4及圖5所示之步驟，亦可同樣地製造背面照射型之CMOS固體攝像元件、與表面照射型之CMOS固體攝像元件。
在背面照射型之CMOS固體攝像元件之情形下，於半導體基體形成光電轉換區域或電晶體群之後，於半導體基體之配線層之相對面，以上述方法形成彩色濾光片至透明樹脂層。又，在表面照射型之CMOS固體攝像元件之情形下，於半導體基體形成光電轉換區域或電晶體群之後，於半導體基體上形成配線層。進而，於配線層上以上述方法形成彩色濾光片至透明樹脂層。
根據以上方法，可製造設有上述實施形態之應力緩和層之CMOS固體攝像元件。
另，根據上述製造方法之實施形態，圖4B係顯示形成一層之應力緩和層之情形，但形成於有機材料層與無機材料層之間之應力緩和層之層數並無特別限定。例如，亦可於有機材料層與無機材料層之間，反覆進行複數次形成利用例如電漿CVD法之SiN、SiO、SiON等之應力緩和層之步驟，而設置複數層包含不同材料之應力緩和層。此時，藉由調整應力緩和層至其鄰接之各層之膜應力差較小，可進一步抑制各層之介面之表面不佳狀況的產生。
又，將上述第2平坦化層作為丙烯酸系熱可塑硬化材料，利用低溫SiN形成微透鏡層之情形下，藉由以低溫SiON形成應力緩和層，可無須追加新的製程步驟而製造固體攝像元件。該方法可於同一CVD製程內連續形成構成應力緩和層之SiON層與構成微透鏡層之SiN層，故簡便性優越。
再者，在使用抗蝕劑層蝕刻微透鏡層之步驟中，當微透鏡層之下部不存在構成應力緩和層之SiON層時，有必要以時間限制來設定蝕刻的停止時間。該情形下，有可能增加構成上之偏差。與此相對，藉由於微透鏡層之下部設置包含SiON層之應力緩和層，可將SiON層作為蝕刻阻擋層發揮作用，故可高精度地設定蝕刻終止。因此，藉由以SiON形成應力緩和層，可減少微透鏡之構造偏差，提高其集光特性。
<5.　電子機器之實施形態>
本發明之固體攝像元件，可適用於具備固體攝像元件之照相機、附帶照相機之便攜式機器、具備固體攝像元件之其他機器等之電子機器。
作為本發明之電子機器之一例，於圖6顯示將固體攝像元件適用於可拍攝靜態影像之數位相機之概略構成。
本實施形態之相機40具有光學系統(光學透鏡)41、固體攝像元件42、信號處理電路43、及驅動電路44。
固體攝像元件42適用上述固體攝像元件。光學透鏡41使來自被攝體之像光(入射光)成像於固體攝像元件42之攝像面上。藉此，於固體攝像元件42之光電轉換元件中蓄積有一定時間之信號電荷。驅動電路44係供給固體攝像元件42之傳送動作信號。根據自驅動電路44供給之驅動信號(時序信號)，進行固體攝像元件42之信號傳送。信號處理電路43係對固體攝像元件42之輸出信號進行各種信號處理。經信號處理之圖像信號被存儲於記憶體等之記憶媒體中，或是被輸出至監視器等。本實施形態之相機40包含將光學透鏡41、固體攝像元件42、信號處理電路43、及驅動電路44模組化之相機模組之形態。
本發明可構成圖6之相機、或具備相機模組之例如以行動電話為代表的附帶相機之便攜式機器等。
再者，圖6之構成，可作為具有將光學透鏡41、固體攝像元件42、信號處理電路43、及驅動電路44模組化之攝像功能之模組，即所謂的攝像功能模組而構成。本發明可構成具有如此之攝像功能模組之電子機器。
另，本發明並非限定於上述實施形態例所說明之構成，在不脫離本發明構成之範圍內，可實施其他種種變形、變更。
11．．．半導體基體
12．．．光電轉換部
13．．．電荷傳送部
14．．．電荷傳送電極
15．．．絕緣層
16．．．遮光層
17．．．第1光透射絕緣層
18．．．第2光透射絕緣層
19．．．第1平坦化層
20．．．彩色濾光片
21．．．第2平坦化層
22．．．應力緩和層
23．．．微透鏡層
24．．．透明樹脂層
25．．．抗蝕劑層
30．．．半導體基體
31．．．支持基板
32．．．配線層
33．．．配線
34．．．絕緣層
35．．．光電轉換部
36．．．元件分離區域
37．．．電晶體
38．．．半導體基體
40．．．相機
41．．．光學系統(光學透鏡)
42．．．固體攝像元件
43．．．信號處理電路
44．．．驅動電路
101．．．彩色濾光片
102．．．平坦化層
103．．．微透鏡層
104．．．透明樹脂層
105．．．抗蝕劑層
圖1係顯示本發明之固體攝像元件之第1實施形態之構成之剖面圖。
圖2係顯示本發明之固體攝像元件之第2實施形態之構成之剖面圖。
圖3係顯示本發明之固體攝像元件之第3實施形態之構成之剖面圖。
圖4A~C係本發明之固體攝像元件之實施形態之製造步驟圖。
圖5D~F係本發明之固體攝像元件之實施形態之製造步驟圖。
圖6係本發明之電子機器之概略構成圖。
圖7係顯示先前之固體攝像元件之構成之剖面圖。
圖8A~C係先前之固體攝像元件之製造步驟圖。
圖9A係顯示先前之固體攝像元件之構成之剖面圖。B及C係顯示微透鏡層發生之表面狀況不佳之樣態之圖。D係顯示未發生表面狀況不佳之狀態下之微透鏡層的表面樣態之圖。
11‧‧‧半導體基體
12‧‧‧光電轉換部
13‧‧‧電荷傳送部
14‧‧‧電荷傳送電極
15‧‧‧絕緣層
16‧‧‧遮光層
17‧‧‧第1光透射絕緣層
18‧‧‧第2光透射絕緣層
19‧‧‧第1平坦化層
20‧‧‧彩色濾光片
21‧‧‧第2平坦化層
22‧‧‧應力緩和層
23‧‧‧微透鏡層
24‧‧‧透明樹脂層

Claims (10)

  1. 一種固體攝像元件，其包含：半導體基體；形成於上述半導體基體之光電轉換部；及於上述半導體基體上介隔至少一層以上之應力緩和層而積層之有機材料層與無機材料層；其中上述有機材料層係平坦化層，上述無機材料層係微透鏡層。
  2. 如請求項1之固體攝像元件，其進一步包含：彩色濾光片層，其係形成於上述半導體基體之光入射面側之上方；及透明樹脂層，其係形成於上述微透鏡層上；其中上述有機材料層係形成於上述彩色濾光片層上；上述應力緩和層係形成於上述有機材料層上；上述微透鏡層係形成於上述應力緩和層上；且上述透明樹脂層之折射率係較上述微透鏡層之折射率小。
  3. 如請求項1或2之固體攝像元件，其中上述應力緩和層之膜應力，在上述有機材料層之膜應力與上述無機材料層之膜應力之間，具有與上述有機材料層及上述無機材料層不同之值。
  4. 如請求項1或2之固體攝像元件，其中上述應力緩和層係包含自以SiO、SiN、及組成式SiOX NY (其中，0<X≦1，0<Y≦1)表示之矽化合物中選出之至少一種以上之材料 而形成。
  5. 如請求項1或2之固體攝像元件，其中上述應力緩和層之折射率為1.4~2.0。
  6. 如請求項5之固體攝像元件，其中上述應力緩和層之折射率係較上述微透鏡層小且較上述有機材料層大。
  7. 一種固體攝像元件之製造方法，其包含以下步驟：於半導體基體形成光電轉換部；及於上述半導體基體上，介隔至少一層以上之應力緩和層而形成有機材料層與無機材料層之積層體；其中上述有機材料層係平坦化層，上述無機材料層係微透鏡層。
  8. 如請求項7之固體攝像元件之製造方法，其進一步包含以下步驟：於上述半導體基體之光入射面側之上方形成彩色濾光片層；及於上述微透鏡層上形成透明樹脂層；其中上述有機材料層係形成於上述彩色濾光片層上；上述應力緩和層係形成於上述有機材料層上；上述微透鏡層係形成於上述應力緩和層上；且上述透明樹脂層之折射率係較上述微透鏡層之折射率小。
  9. 一種具有固體攝像元件之電子機器，其包含：上述固體攝像元件，其包含半導體基體、形成於半導體基體之光電轉換部、及於半導體基體上介隔至少一層 以上之應力緩和層而積層之有機材料層與無機材料層；光學系統，其係將入射光導入至上述固體攝像元件之攝像部；及信號處理電路，其係處理上述固體攝像元件之輸出信號；其中上述有機材料層係平坦化層，上述無機材料層係微透鏡層。
  10. 如請求項9之電子機器，其中上述固體攝像元件進一步包含：彩色濾光片層，其係形成於上述半導體基體之光入射面側之上方；及透明樹脂層，其係形成於上述微透鏡層上；其中上述有機材料層係形成於上述彩色濾光片層；上述應力緩和層係形成於上述有機材料層上；上述微透鏡層係形成於上述應力緩和層上；且上述透明樹脂層之折射率係較上述微透鏡層之折射率小。
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