CN107425023B - 固态成像装置、固态成像装置的制造方法和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态成像元件和固态成像元件的制造方法以提供具有优良的光聚集性能的固态成像元件，本发明还涉及电子设备。固态成像元件包括半导体基体(11)和形成在半导体基体(11)上的光电转换部分。固态成像元件被提供有层叠在半导体基体上的隔着至少一个应力弛豫层(22)的有机材料层和无机材料层。例如，该技术可应用于具有布置在像素上的微透镜等的固态成像元件。

Description

固态成像装置、固态成像装置的制造方法和电子设备
本发明是2011年7月8日所提出的申请号为201180043274.3、发明名称为“固态成像装置、固态成像装置的制造方法和电子设备”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种具有在像素上布置的微透镜的固态成像装置、配备有微透镜的固态成像装置和具有固态成像装置的电子设备。
背景技术
最近，已要求诸如移动电话的配备有照相机模块的电子设备更小并更薄。因此，包括内置有固态成像装置的陶瓷封装和用于密封该封装的表面接合的玻璃片的传统封装结构已不能满足尺寸和厚度减小的要求。
因此，已经开发了倒装芯片安装的封装结构，其包括微透镜阵列和直接接合到微透镜阵列上的玻璃片。例如，提供较硬的透明材料作为保护层，以覆盖芯片上微透镜。这种保护层可排除对特定封装的需求，并且可减少切割后用于单个固态成像装置芯片的工艺数量，从而可以简化工艺。此外，保护层较硬且具有平坦化的表面。因此，即使灰尘沉积在保护层上，也可容易地擦拭掉灰尘而不在保护层上留下擦痕。
近年来，由于固态成像装置做得具有更小的尺寸和更高的像素密度，已经出现了由光电转换部分面积的缩小造成的灵敏度减小的问题。为解决此问题，已经提供了在光电转换部分上具有微透镜的彩色固态成像装置。
在传统的微透镜结构中，当摄像机的透镜孔径充分小时且当光垂直入射在彩色固态成像装置上时，入射光将毫无问题地在光电转换部分上汇聚。然而，当摄像机透镜设置为接近全孔径时，不能在光电转换部分上汇聚的斜射光成分增多，使得彩色固态成像装置会具有无法有效改善其灵敏度的问题。
为解决此问题，已经提出了一种固态成像装置结构，其具有微透镜和设置在微透镜上的平坦化的透明树脂材料，从而该固态成像装置的最上面的表面基本上是平的。图7示意性地示出了具有这种结构的固态成像装置的结构，该固态成像装置包括滤色器和上部部件。在这种结构的固态成像装置中，在滤色器101上设置有平坦化层102，并且在平坦化层102上设置有微透镜层103。此外，在微透镜层103上设置有具有平坦化表面的透明树脂层104。
遗憾地，如果在微透镜层103的折射率n1和透明树脂层104的折射率n2之间仅存在小的差异，则微透镜层103的光汇聚功能将是不充分的。具体地，图7中所示的具有微透镜和平坦化树脂膜的光收集结构的收集效率是在微透镜层103之上具有空气层的传统光收集结构的收集效率的一半或更少。
已经提出了一种解决光收集性能的问题的技术，该技术提供了包括微透镜和透明树脂层的结构，其中微透镜具有比透明树脂层的折射率高的折射率(例如，见专利文献1)。在此结构中，即使在光接收表面被树脂等覆盖时，微透镜的聚焦性能也可保持在满意的水平。更具体地，此技术包括采用氮化硅(SiN)通过回蚀刻工艺来形成微透镜。
图8A至8C示出了通过回蚀刻工艺形成微透镜的方法。
在该回蚀刻工艺中，如图8A中所示，在滤色器101上形成平坦化层102。接着，例如采用氮化硅(SiN)通过等离子体CVD(化学气相沉积)，在平坦化层102上形成光学透明的微透镜层103膜。然后在微透镜层103上形成抗蚀剂层105。如图8B中所示，通过光刻把抗蚀剂层105图案化成透镜形状，然后进行热处理，从而形成图案化的抗蚀剂。如图8C中所示，接着采用透镜图案化的抗蚀剂层105作为掩模，把微透镜层103蚀刻成透镜形状。
此结构中，氮化硅(SiN)膜制成的微透镜具有约2的折射率。用来覆盖微透镜的透明树脂是具有约1.5的折射率的树脂，例如丙烯酸树脂、环氧树脂或苯乙烯树脂。因此，微透镜提供了可靠的聚焦性能。在等离子体CVD中，氮化硅膜需要在充分低于有机树脂和滤色器的耐热温度的温度下被适当地形成。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开第2003-338613号
发明内容
要解决的技术问题
然而，采用回蚀刻工艺形成微透镜的方法包括形成用来使滤色器顶部平坦化的透明平坦化层并在平坦化层上形成氮化硅(SiN)膜。当滤色器布置成例如绿、红和蓝的拜耳图案时，为了改善固态成像装置的灵敏度特性和色彩再现性，各滤色器需要具有针对各颜色的最佳光谱特性。因此，滤色器一般具有用于不同颜色的不同厚度。于是，通常进行利用透明平坦化层来使滤色器的顶部平坦化的工艺，以使形成微透镜的光刻工艺稳定。
透明平坦化层优选由具有耐热性和其它性能的廉价的透明材料制成。因此，一般采用丙烯酸树脂材料、苯乙烯树脂材料和环氧树脂材料。另外，为改善固态成像装置的聚焦性能，使垂直叠层结构薄是非常重要的。于是，期望形成更薄的平坦化层。为满足上述要求，透明平坦化层优选采用兼具热塑性和热固性的树脂材料形成。
另一方面，诸如丙烯酸、苯乙烯和环氧树脂材料的树脂材料通常具有低的膜应力。尤其是，兼具有热塑性和热固性的树脂材料具有相当低的膜应力。与之对照，用于形成微透镜层的氮化硅(SiN)膜当兼具透明性和高折射率时则容易具有高的膜应力。
如果采用树脂材料和膜应力与该树脂材料的膜应力显著不同的材料(例如SiN)来形成叠层，如图9A中所示，可在微透镜层103的表面上出现诸如褶皱或变形的问题。图9B和9C示出了由表面褶皱和变形造成的微透镜层103的表面缺陷。图9D示出了微透镜层103的无缺陷表面，用于与图9B和9C对照。褶皱和变形出现在平坦化层102和微透镜层103之间的界面处。在平坦化层102和微透镜层103之间的界面处产生的褶皱和变形然后类似地被传递到微透镜层103的表面。
如果如上所述因为具有显著的膜应力差异的叠层结构而产生诸如皱褶和变形的表面缺陷，则在形成透镜图案状的抗蚀剂层的光刻工艺的曝光步骤中散焦的风险会很大。这可能使晶片的面内均匀性或芯片中的线宽均匀性降低，并且可能造成固态成像装置的聚焦性能的下降。
为解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种具有良好聚焦性能的固态成像装置、具有足够高的灵敏度特性的固态成像装置和电子设备。
技术方案
本发明的固态成像装置包括：半导体衬底；形成在半导体衬底中的光电转换部分；设置在半导体衬底上的包括有机材料层和无机材料层的叠层；以及插设有机材料层与无机材料层之间的至少一个应力弛豫层。
本发明的电子设备包括：上述固态成像装置；用于把入射光引导至固态成像装置的成像部分的光学系统；以及用于处理来自固态成像装置的输出信号的信号处理电路。
本发明的固态成像装置的制造方法包括如下步骤：在半导体衬底中形成光电转换部分；以及在半导体衬底上形成包括有机材料层和无机材料层的叠层，至少一个应力弛豫层被插设在有机材料层和无机材料层之间。
在固态成像装置中和固态成像装置的制造方法中，无机材料层和有机材料层形成在半导体衬底上，并且应力弛豫层插设在无机材料层和有机材料层之间。在无机材料层和有机材料层之间存在显著的膜应力差异，但是提供了应力弛豫层来削弱该膜应力差异，这成功地抑制了在各层的界面处由膜应力差异造成的表面缺陷。于是，固态成像装置可具有改善的聚焦性能。
本发明的电子设备配备了通过抑制表面缺陷而改善聚焦性能的固态成像装置，使得本发明的电子设备可具有更高的灵敏度。
发明效果
本发明使得能够提供一种具有良好的聚焦性能的固态成像装置和提供一种具有足够高的灵敏度特性的电子设备。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的固态成像装置的结构的剖面图。
图2是示出根据本发明第二实施例的固态成像装置的结构的剖面图。
图3是示出根据本发明第三实施例的固态成像装置的结构的剖面图。
图4A至4C是示出根据本发明实施例的固态成像装置的制造工艺的示意图。
图5D至5F是示出根据本发明实施例的固态成像装置的制造工艺的示意图。
图6是示出根据本发明的电子设备的示意结构的示意图。
图7是示出传统固态成像装置的结构的剖面图。
图8A至8C是示出传统固态成像装置的制造工艺的示意图。
图9A是示出传统固态成像装置的结构的剖面图，图9B和9C是示出形成在微透镜层上的表面缺陷的示意图，以及图9D是示出微透镜层的无缺陷表面的示意图。
具体实施方式
下文中，参考下面的一些示例来描述实现本发明的最好方式，这些示例不是意在限制本发明。描述将按下面的顺序进行：
1.固态成像装置的第一实施例
2.固态成像装置的第二实施例
3.固态成像装置的第三实施例
4.固态成像装置的制造方法
5.电子设备的实施例
<1.固态成像装置的第一实施例>
下文中，描述本发明的固态成像装置的具体实施例。图1是示意性示出作为本实施例的固态成像装置的CCD(电荷耦合装置)固态成像装置的结构的剖面图。
尽管没有具体示出，但是根据本实施例的CCD固态成像装置的成像部分具有沿单个方向(垂直传输方向)平行形成的大量的长条状电荷传输部分。在每组相邻的电荷传输部分之间的空间中，用于行像素的光电转换部分被设置在平行于电荷传输部分的行中。用于每个像素的读取栅极部分被设置在光电转换部分行与在其一侧的电荷传输部分之间。沟道停止部被设置在光电转换部分行与在其另一侧的电荷传输部分之间，该沟道停止部防止在各光电转换部分中产生的信号电荷泄露到其它电荷传输部分。
图1中所示的CCD固态成像装置包括：半导体衬底11；在衬底11中形成的第一导电型区域(例如p型阱区)；以及在第一导电型区域的表面部分中形成的、每个均包括第二导电型区域(例如n型杂质区)的光电转换部分12。通过光电转换在半导体衬底11与各光电转换部分12之间的pn结及附近的区域中生成信号电荷，并且信号电荷在各光电转换部分12中存储特定的时间段。
主要由第二导电型杂质区组成的电荷传输部分13的每个在距光电转换部分12的特定距离处形成。尽管没有示出，但是第一导电型杂质区被形成在光电转换部分12与一个电荷传输部分13之间，以形成用于读取栅极部分的可变势垒。在光电转换部分12与另一电荷传输部分13之间，在半导体衬底11中深深地形成了作为沟道停止部的高浓度的第一导电型杂质区。
诸如氧化硅的绝缘层15被形成在半导体衬底11上。多晶硅等的电荷传输电极14被形成在各电荷传输部分13上方的绝缘层15上。通过光电转换在光电转换部分12处生成的信号电荷经由读取栅极部分被读取到一个电荷传输部分13。通过诸如4相时钟信号的垂直传输时钟信号来驱动电荷传输电极14，使得信号电荷沿特定方向在电荷传输部分13内连续传输。各行的信号电荷接着被扫描入水平传输部分(未示出)中，信号电荷例如通过2相水平时钟信号在水平传输部分内传输，然后作为图像信号输出到外部。
诸如氧化硅层的绝缘层15除了形成在半导体衬底11上之外，还形成在电荷传输电极14上。由诸如钨的难熔金属形成的遮光层16被形成在绝缘层15上。遮光层16在各光电转换部分12上方具有开口。相对于电荷传输电极14的段差，开口的周边的设置为略靠内。此结构的目的是提高遮光层16对电荷传输部分13的遮光性能并抑制污迹。
由诸如PSG(磷硅酸盐玻璃)或BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)的材料制成的第一光学透明绝缘层17被设置在遮光层16上且位于半导体衬底11上方。第一光学透明绝缘层17在各光电转换部分12的正上方具有凹部。凹部具有反映下面的电荷传输电极14和遮光层16的段差形状的弯曲表面。
在第一光学透明绝缘层17上形成第二光学透明绝缘层18，以使第一光学透明绝缘层17的凹部被第二光学透明绝缘层18填充。第二光学透明绝缘层18由折射率比第一光学透明绝缘层17的折射率高的材料制成，该材料例如为通过等离子体CVD(化学气相沉积)生成的氮化硅(P-SiN)。第二光学透明绝缘层18具有平坦化的表面，第一光学透明绝缘层17和第二光学透明绝缘层18形成层内透镜。
第一平坦化层19形成在第二光学透明绝缘层18上。滤色器20被设置在第一平坦化层19上。
提供第一平坦化层19来使在其上形成滤色器20的第二光学透明绝缘层18的顶部平坦化。第一平坦化层19还用作其上形成的滤色器的抗反射层。第一平坦化层19优选由廉价且具有透明性和耐热性或其它性能的材料制成，这种材料的例子包括丙烯酸树脂材料、苯乙烯树脂材料和环氧树脂材料。第一平坦化层19也可形成为诸如氮化硅(SiN)的无机材料的钝化层(保护层)。
滤色器20采用基色编码形成，并具有通过边界区隔开且各自呈现红(R)、绿(G)和蓝(B)中的任一种颜色的光学透明区。滤色器可采用补色编码形成，在补色编码的情形中，光学透明区的每个可呈现黄色(Ye)、品红(Mg)、青色(Cy)和绿色(G)中的任一种颜色。为了改善固态成像装置的灵敏度特性和颜色再现性，滤色器20的每个需要具有最佳的光谱特性并具有针对不同颜色的不同厚度。
在滤色器20上形成第二平坦化层21。形成第二平坦化层21来在针对不同颜色具有不同厚度的滤色器上提供透明的平坦层。第二平坦化层21优选由廉价且具有透明性和耐热性或其它性能的材料制成，丙烯酸热固性树脂材料、苯乙烯树脂材料、环氧树脂材料等优选用来形成第二平坦化层21。当出于改善固态成像装置的聚焦性能的目的而把垂直叠层的结构做得薄时，优选采用具有热固性和热塑性二者的树脂材料，例如丙烯酸树脂材料、苯乙烯树脂材料或环氧树脂材料。
在第二平坦化层21上形成应力弛豫层22。在应力弛豫层22上设置具有凸起的弯曲表面(透镜表面)的微透镜层23。
例如，微透镜层23包括通过回蚀刻工艺形成且具有约2的折射率的氮化硅(SiN)层。
入射在透镜表面上的光被微透镜层23汇聚且进一步被上述的层内透镜进行汇聚，然后进入各光电转换部分12。微透镜层23形成在CCD成像器的表面上，以使得不能利用的区域形成的间隙尽量小，并使得遮光膜以上的光线能被有效地利用以进入光电转换部分12。这增大了像素的灵敏度。
提供应力弛豫层22来削弱上述由有机材料制成的第二平坦化层与由无机材料制成的微透镜层23之间的膜应力差异。
如上所述，在有机材料层与无机材料层之间存在显著的膜应力差异。于是，如果由诸如SiN的无机材料制成的微透镜层23被直接设置在由诸如树脂材料的有机材料制成的第二平坦化层21上，则由于膜应力差异，会在界面处出现褶皱或变形。换言之，如果无机材料层和有机材料层彼此叠置，则由于膜应力差异，会在层之间的界面处出现膜形状方面的缺陷。
为解决此问题，具有图1中所示结构的固态成像装置在包括有机材料层和无机材料层的叠层中具有应力弛豫层22，并且应力弛豫层22具有的应力值不同于有机材料层的应力值和无机材料层的应力值且在有机材料层的应力值和无机材料层的应力值之间。换言之，满足如下关系的应力弛豫层被插设在无机材料层和有机材料层之间：无机材料层的应力>应力弛豫层的应力>有机材料层的应力。
如上所述，在无机材料层被形成在有机材料层上之前，具有介于有机材料层的应力值和无机材料层的应力值之间的应力值的材料被用来形成一层，该层具有削弱有机材料层和无机材料层之间的膜应力差异的功能。即使当形成包括无机材料层和有机材料层的叠层时，该层也能抑制由膜应力差异造成的表面缺陷。结果，抑制了诸如褶皱和变形的层界面缺陷，并且在后续的光刻工艺中可以毫无问题地实现图案化。于是，可以避免固态成像装置的聚焦性能的下降。
应力弛豫层21优选由无机材料制成，并且优选采用低温CVD工艺来形成这种材料的膜。具体地，例如，SiO、SiN和由组成式SiOXNY表示的硅化合物是优选的，其中0<X≤1并且0<Y≤1(下文中，此化合物SiOXNY表示为SiON)。
第二平坦化层21优选由热塑热固性丙烯酸材料制成，以及微透镜层23优选由低温沉积的SiN膜制成。这种情况下，应力弛豫层22可以是低温沉积的SiON膜，使得应力弛豫层22(SiON)和微透镜层23(SiN)可在同一CVD工艺中形成，而没有额外的工艺，这是高度便利的。
关于光学性能，应力弛豫层22优选具有1.4至2.0的折射率并且还优选具有透明性。尤其是当由SiON制成时，应力弛豫层22具有1.6至1.9的折射率，这可以减少SiN的微透镜层23(折射率：1.8至2.0)和丙烯酸树脂的第二平坦化层21(折射率：1.4至1.5)之间的界面反射。这使得固态成像装置的聚焦性能得以改善。
应力弛豫层22优选具有-100至100Mpa的膜应力。如这里所使用的，膜应力是采用薄膜应力测量系统(晶片翘曲测量系统FSM 500TC(VISION公司))测量得到的值。下面示出的膜应力值也采用此测量系统进行测量。
在微透镜层23上设置具有平坦化的表面的透明树脂层24。透明树脂层24由具有约1.5的折射率的有机材料制成，例如丙烯酸树脂，环氧树脂，或苯乙烯树脂。
当微透镜层23由具有约2的折射率的SiN制成且透明树脂层24由具有约1.5的折射率的有机材料制成时，在固态成像装置中微透镜的聚焦性能是可靠的。
尽管上述实施例已示出了形成单个应力弛豫层的情况，但是可在有机材料层和无机材料层之间设置任意数量的应力弛豫层。例如，可在有机材料层和无机材料层之间设置由不同材料制成的多个应力弛豫层。这种情况下，可按这样一种方式形成各应力弛豫层：每对相邻层之间的膜应力差异调整为较小，从而可进一步抑制各层界面处的表面缺陷。
<2.固态成像装置的第二实施例>
尽管第一实施例已示出了把本发明应用于作为固态成像装置的例子的CCD固态成像装置的情况，但是本发明也可应用于其它类型的固态成像装置。
固态成像装置大体分类为电荷传输型固态成像装置(以CCD固态成像装置为典型)和XY地址型固态成像装置(以CMOS(互补金属氧化物半导体)固态成像装置为典型)。这里，参考图2描述作为XY地址型固态成像装置的示例的CMOS固态成像装置的剖面结构。采用相同的附图标记来指代与图1中所示的第一实施例相同的特征，且省略对它们的说明。
尽管没有具体示出，但是CMOS固态成像装置具有像素部分、垂直(V)选择电路、S/H(采样/保持)-CDS(相关双采样)电路、水平(H)选择电路、时序发生器(TG)和其它部分，它们被安装在单个衬底上。像素部分包括布置成矩阵的大量的单元像素(后面描述)、布置成行的地址线和布置成列的垂直信号线。来自各像素的像素信号通过垂直选择电路被读取到S/H&CDS电路和水平选择电路。垂直选择电路、S/H-CDS电路和水平选择电路的每个基于由时序发生器生成的不同时序信号而工作。
图2是示出CMOS固态成像装置中的像素部分和外围电路部分的结构示例的剖面图。根据本实施例的CMOS固态成像装置具有背侧照射型像素结构，在此结构中，入射光进入半导体衬底的与形成有布线层的一侧相反的侧(背侧)。背侧照射型像素结构在微透镜和光电二极管(光电转换部分)之间不具有布线层，这增大了像素布线的灵活性并使得可以形成更微小的像素。
背侧照射型CMOS固态成像装置包括半导体衬底30和形成在半导体衬底30中且包括多个像素部分的有源层，每个像素部分具有把入射光转换成电信号的光电转换部分(例如，光电二极管)35、晶体管37和其它部件。晶体管37包括传输晶体管、放大晶体管、重置晶体管等，图2中示出了一部分晶体管37。例如，硅衬底用作半导体衬底30。进一步形成信号处理部分(未示出)，用于处理从各光电转换部分35读取的信号电荷。在半导体衬底30中，元件隔离区36被形成在像素部分的周边部分处，例如被形成在于行或列方向上布置的各像素部分之间。
在具有光电转换部分35的半导体衬底30的前侧(图中半导体衬底30的下侧)形成布线层32。布线层32包括线33和覆盖线33的绝缘层34。在与半导体衬底30相反的一侧上布线层32被设置有支撑衬底31。例如，支撑衬底31包括硅衬底。
图2中所示的CMOS固态成像装置还包括形成在半导体衬底30的背面(图中半导体衬底30的上侧)上且具有光学透明性的第一平坦化层19。在第一平坦化层19上设置滤色器20。
在滤色器20上形成第二平坦化层21。在第二平坦化层21上形成应力弛豫层22。在应力弛豫层22上设置具有凸起的弯曲表面(透镜表面)的微透镜层23。在微透镜层23上设置具有平坦化的表面的透明树脂层24。
形成在半导体衬底30的背面上的第一平坦化层19、滤色器20、第二平坦化层21、应力弛豫层22、微透镜层23和透明树脂层24可具有与上述第一实施例的CCD固态成像装置中的那些层相同的特征。
在如上构造的背侧照射型CMOS固态成像装置中，应力弛豫层22插设在叠层中的有机材料层与无机材料层之间，应力弛豫层22具有的应力值不同于有机材料层的应力值和无机材料层的应力值并且介于有机材料层的应力值和无机材料层的应力值之间。根据此特征，在包括有机材料层、应力弛豫层22和无机材料层的叠层中可以削弱有机材料层和无机材料层之间的膜应力差异。因此，即使当在膜应力方面具有显著差异的有机材料层和无机材料层被用来形成叠层时，也可抑制由膜应力差异造成的表面缺陷。
如上所述，具有位于有机材料层和无机材料层之间的应力弛豫层的背侧照射型CMOS固态成像装置可产生与第一实施例中的CCD固态成像装置相同的有利效果。
<3.固态成像装置的第三实施例>
尽管第二实施例已示出了背侧照射型CMOS固态成像装置以作为应用了本发明的固态成像装置的例子，但是本发明也可应用于所谓的前侧照射型CMOS固态成像装置，在该装置中，布线层设置在前侧并且入射光进入布线层侧。
图3是示意性示出这种前侧照射型CMOS固态成像装置的结构的剖面图。相同的附图标记用来指代与图1和2中所示的第一和第二实施例的那些特征相同的特征，且省略对它们的说明。
图3中所示的前侧照射型CMOS固态成像装置包括半导体衬底38和多个像素部分，该多个像素部分形成在半导体衬底38中且均具有把入射光转换成电信号的光电转换部分(例如，光电二极管)35、晶体管37和其它部件。晶体管37包括传输晶体管、放大晶体管、重置晶体管等，在图3中示出了一部分晶体管37。例如，硅衬底用作半导体衬底38。还形成了信号处理部分(未示出)，用于处理从各光电转换部分35读取的信号电荷。
在具有光电转换部分35的半导体衬底38的前侧(图中半导体衬底30的上侧)形成布线层32。布线层32包括线33和覆盖线33的绝缘层34。
CMOS固态成像装置还包括形成在布线层32上且具有光学透明性的第一平坦化层19。在第一平坦化层19上设置滤色器20。
在滤色器20上形成第二平坦化层21。在第二平坦化层21上形成应力弛豫层22。在应力弛豫层22上设置具有凸起的弯曲表面(透镜表面)的微透镜层23。在微透镜层23上设置具有平坦化的表面的透明树脂层24。
形成在半导体衬底38的前侧上的布线层32可具有与上述第二实施例的CMOS固态成像装置中的布线层相同的特征。形成在布线层32上的第一平坦化层19、滤色器20、第二平坦化层21、应力弛豫层22、微透镜层23和透明树脂层24也可具有与上述第一实施例的CCD固态成像装置中的那些层相同的特征。
在如上构造的前侧照射型CMOS固态成像装置中，应力弛豫层22插设在叠层中的有机材料层与无机材料层之间，应力弛豫层22具有的应力值不同于有机材料层的应力值和无机材料层的应力值并且介于有机材料层的应力值和无机材料层的应力值之间，因此应力弛豫层22具有削弱有机材料层和无机材料层之间的膜应力差异的功能。这使得即使当形成包括无机材料层和有机材料层的叠层时也可抑制由膜应力差异造成的表面缺陷。
因此，如上构造的、在有机材料层和无机材料层之间具有应力弛豫层的前侧照射型CMOS固态成像装置也可产生与第一实施例中的CCD固态成像装置相同的有利效果。
<4.固态成像装置的制造方法的实施例>
接下来，对本发明的固态成像装置的制造方法的实施例进行描述。下述的制造工艺图是滤色器和上部各层的结构(其对于第一实施例的CCD固态成像装置以及第二和第三实施例的CMOS固态成像装置的光接收区是共同的)的剖面图。制造工艺图和下面参考制造工艺图描述的制造工艺仅示出了在光接收区中形成的滤色器和上部各层的特征，并从图中省略了其它的特征。下文中，对图1中示出的第一实施例的CCD固态成像装置的制造方法进行描述，以作为固态成像装置的制造方法的例子。
首先，按照已知的方法在半导体衬底的主表面侧形成各种杂质区。通过诸如离子注入的方法把诸如磷的n型杂质引入诸如p型硅衬底的半导体衬底的主表面侧中，以形成作为光电转换部分的光电二极管。类似地，然后引入n型或p型杂质离子，以形成沟道停止部、传输沟道和其它部分。
通过热氧化物膜形成方法等在具有如上形成的元件的半导体衬底上形成绝缘层。随后，通过CVD等在绝缘层上形成多晶硅层等，并接着通过干法蚀刻等把多晶硅层等选择性蚀刻成预定的图案，以形成传输电极。进一步在传输电极的上表面和侧表面之上形成诸如氧化硅层的绝缘层。通过CVD在绝缘层上形成诸如钨的难熔金属的膜，且接着对该难熔金属的膜进行图案化以在各光电转换部分上方形成开口，从而形成遮光层。
随后，在遮光层上和开口上方形成PSG或BPSG的第一光学透明绝缘层。然后例如通过在900℃至1000℃下进行加热使形成的第一光学透明绝缘层回流，以在各光电转换部分上方的第一光学透明绝缘层中形成凹部，该凹部反映下面的传输电极和遮光层的段差形状且具有与光电转换部分相同的尺寸。然后通过等离子体CVD在第一光学透明绝缘层上形成氮化硅(P-SiN)层以作为第二光学透明绝缘层。例如采用丙烯酸树脂、聚酰亚胺树脂、异氰酸盐树脂等，通过旋涂等在第二光学透明绝缘层上形成第一平坦化层。
如图4A中所示，然后在第一平坦化层上形成与相应光电转换部分对应的滤色器20。接着在滤色器20上形成第二平坦化层21。
通过诸如染色工艺的已知方法来形成滤色器20。染色工艺包括：形成树脂材料和光敏剂的混合物的涂层，对涂层进行曝光、显影、染色和固色，并为各种颜色重复上述工艺，以形成滤色器20。也可采用诸如分散工艺、印刷工艺或电沉积工艺的其他任何方法来形成滤色器20。
采用有机树脂材料，尤其是诸如丙烯酸树脂材料、苯乙烯树脂材料或环氧树脂材料的热固性透明树脂材料来形成第二平坦化层21。为了使第二平坦化层21薄且平，要采用的树脂材料优选具有热固性和热塑性两种性能。更具体地，可采用诸如由富士化学工业有限公司(FUJI CHEMICALS INDUSTRIAL CO.,LTD)制造的FOC-UV27的材料来形成第二平坦化层21。
可通过包括以下步骤的工艺来形成第二平坦化层21：通过旋涂把上述材料涂覆到滤色器20，并且在滤色器和其它部分不出现热劣化的温度下(例如200至230℃)对涂覆的材料进行几分钟热固处理。
如图4B中所示，然后在第二平坦化层21上形成应力弛豫层22。例如，采用SiN、SiO、SiON等通过在200至230℃下进行几分钟的等离子体CVD，第二平坦化层21如上所述地被形成。
如图4C中所示，在应力弛豫层22上形成微透镜层23。采用例如SiN的无机材料通过在200至230℃下进行几分钟的等离子体CVD来形成微透镜层23。
如图5D中所示，通过涂覆在微透镜层23上形成抗蚀剂层25。通过采用光刻对抗蚀剂层25进行图案化并使图案化的抗蚀剂层热固化，把抗蚀剂层25形成为透镜形状。通过采用i线步进器等的曝光工艺来图案化成透镜形状。具有低耐热性的材料适宜作为用于形成抗蚀剂层25的抗蚀剂材料。例如，诸如由住友化学有限公司(Sumitomo Chemical Company)制造的PFI-65的材料可用作抗蚀剂材料。
如图5E中所示，采用抗蚀剂层25作为掩模，通过蚀刻工艺把微透镜层23形成为透镜形状。例如，通过采用CF4/O2气体等的等离子体干法蚀刻方法来蚀刻包括诸如SiN的无机材料的微透镜层23。
如图5F中所示，然后在透镜形状的微透镜层23上形成透明树脂层24。通过包括如下步骤的工艺来形成透明树脂层24：采用旋涂或其它涂覆技术来形成有机树脂材料等的涂层，然后在滤色器和其它部分不出现热劣化的温度下(例如200至230℃)对涂层进行几分钟的热固性处理。用来形成透明树脂层24的材料优选具有透明性和低折射率。更具体地，可采用诸如由JSR公司制造的TT8021的材料。
上述步骤使得能够制造出具有图1中所示的结构的CCD固态成像装置。
根据图4和5中示出的步骤，背侧照射型CMOS固态成像装置和前侧照射型CMOS固态成像装置也可采用类似的方式被制造。
在背侧照射型CMOS固态成像装置的情况下，光电转换区和晶体管组被形成在半导体衬底中，然后在半导体衬底的与布线侧相反的一侧上通过上述工艺形成从滤色器到透明树脂层的部分。在前侧照射型CMOS固态成像装置的情况下，光电转换区和晶体管组被形成在半导体衬底中，然后在半导体衬底上形成布线层。随后，通过上述工艺在布线层上形成从滤色器到透明树脂层的部分。
上述工艺使得能够制造出根据上述实施例的、具有应力弛豫层的CMOS固态成像装置。
尽管制造方法的实施例已示出了如图4B中所示的形成单个应力弛豫层的情况，但是可在有机材料层和无机材料层之间设置任意数量的应力弛豫层。例如，可通过两次或更多次地重复采用等离子体CVD形成SiN、SiO、SiON等的应力弛豫层的步骤，来在有机材料层和无机材料层之间形成不同材料的多个应力弛豫层。这种情况下，可按这样一种方式形成应力弛豫层：每对相邻层之间的膜应力差异调整为较小，从而可进一步抑制每层界面处的表面缺陷。
第二平坦化层可由丙烯酸热塑热固性材料制成，微透镜层可由低温沉积的SiN制成。这种情况下，应力弛豫层可由低温沉积的SiON制成，从而可形成固态成像装置而没有额外的工艺。该方法是高度便利的，因为能够在同一CVD工艺中连续生产用于应力弛豫层的SiON层和用于微透镜层的和SiN层。
在采用抗蚀剂层回蚀刻微透镜层的步骤中如果在微透镜层下面没有SiON的应力弛豫层，则蚀刻停止时间需要设置在特定的时限内。这种情况下，可能会经常出现结构上的变化。与之相对照，当在微透镜层下面设置SiON的应力弛豫层时，SiON层可用作蚀刻停止层以精确地停止蚀刻。于是，由SiON制成的应力弛豫层可减小微透镜结构方面的变化并改善聚焦性能。
<5.电子设备的实施例>
根据本发明的固态成像装置可用于形成电子设备，例如配备有固态成像装置的照相机、配备有照相机的移动电话或任何其它配备有固态成像装置的设备。
图6示意性地示出了作为本发明的电子设备的例子的、能够拍摄静止图片的数码静态照相机的构造，在该照相机中采用了固态成像装置。
根据本实施例的相机40包括光学系统(光学透镜)41、固态成像装置42、信号处理电路43和驱动电路44。
上述固态成像装置被用作固态成像装置42。光学透镜41把来自物体的图像光(入射光)聚焦在固态成像装置42的成像表面上。于是，信号电荷在固态成像装置42的光电转换元件中存储一定时间段。驱动电路44供应用于固态成像装置42的传输操作的信号。固态成像装置42响应于从驱动电路44供应的驱动信号(时序信号)来进行信号传输。信号处理电路43响应于来自固态成像装置42的输出信号而进行各种信号处理操作。已经过信号处理的视频信号被存储在诸如存储器的存储介质中或被输出到监视器等。本实施例中，相机40包括相机模块，在该相机模块中组装有光学透镜41、固态成像装置42、信号处理电路43和驱动电路44。
本发明可提供如图6中所示的相机和包括配备有照相机的便携式设备(例如配备有照相机模块的移动电话)的其它设备。
根据图6中所示的构造，光学透镜41、固态成像装置42、信号处理电路43和驱动电路44可组装到具有成像功能的模块中，或者确切地说是成像功能模块。本发明可提供具有这种成像功能模块的电子设备。
应该理解，上述实施例并不是意欲限制本发明，在不脱离本发明的范围的情况下可做成各种改变和修改。
附图标记列表
11，30，38 半导体衬底
12，35 光电转换部分
13 电荷传输部分
14 电荷传输电极
15 绝缘层
16 遮光层
17 第一光学透明绝缘层
18 第二光学透明绝缘层
19 第一平坦化层
20，101 滤色器
21 第二平坦化层
22 应力弛豫层
23，103 微透镜层
24，104 透明树脂层
25，105 抗蚀剂层
31 支撑衬底
32 布线层
33 线
34 绝缘层
36 元件隔离区
37 晶体管
40 照相机
41 光学系统(光学透镜)
42 固态成像装置
43 信号处理电路
44 驱动电路
102 平坦化层

Claims (17)

1.一种固态成像装置，包括：
微透镜的层，所述微透镜为无机材料；
平坦化层，所述平坦化层为有机材料；
在所述平坦化层与所述微透镜的层之间的应力弛豫层，所述微透镜和所述平坦化层接触所述应力弛豫层，所述应力弛豫层为由不同材料制成的多个应力弛豫层；
布置在所述平坦化层之下的滤色器的层，和布置在所述滤色器的层之下的不同的平坦化层，
其中，所述平坦化层与所述不同的平坦化层接触所述滤色器。
2.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述应力弛豫层的应力值大于所述有机材料的应力值，所述无机材料的应力值大于所述应力弛豫层的应力值。
3.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述应力弛豫层具有-100至100Mpa的膜应力。
4.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述微透镜的层具有约为2的折射率。
5.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述应力弛豫层具有1.4至2.0的折射率。
6.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述应力弛豫层包含SiOXNY，其中0<X≤l且0<Y≤l。
7.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述应力弛豫层包含SiO。
8.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述应力弛豫层包含SiN。
9.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述有机材料为树脂材料。
10.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述无机材料为SiN。
11.根据权利要求1的固态成像装置，还包括：
半导体衬底中的光电转换部分，所述应力弛豫层在所述微透镜与所述光电转换部分之间。
12.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述不同的平坦化层为有机材料层。
13.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述不同的平坦化层为无机材料层。
14.根据权利要求1的固态成像装置，其中所述不同的平坦化层为SiN。
15.根据权利要求1的固态成像装置，还包括：
透明树脂层，所述透明树脂层接触所述微透镜，所述微透镜在所述应力弛豫层与所述透明树脂层之间。
16.根据权利要求15的固态成像装置，其中所述透明树脂层的折射率约为1.5。
17.一种电子设备，包括：
根据权利要求1的固态成像装置；以及
信号处理电路，所述信号处理电路配置为处理来自所述固态成像装置的输出信号。
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