JP5825398B2 - 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法、電子機器 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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８Ａ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８Ｂ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８Ｃ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。

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。

特開２００３−３３８６１３号公報

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。

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。

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。

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９Ａ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９Ｂ及び図９Ｃ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９Ｄは、図９Ｂ及び図９Ｃ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。

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。

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。

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、半導体基体上に設けられたケイ素化合物を含む光透過絶縁層と、光透過絶縁層上に形成された、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含む第１平坦化層と、第１平坦化層上に形成された、表面に段差を有するカラーフィルタと、カラーフィルタ上に形成された、アクリル系熱硬化樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含む第２平坦化層と、第２平坦化層上に形成された、ＳｉＯ、ＳｉＮ、及び、組成式ＳｉＯ_ＸＮ_Ｙ（但し、０＜Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から選ばれる少なくとも１種以上のケイ素化合物を含み、屈折率が１．４〜２．０、膜応力が−１００〜１００Ｍｐａの応力緩和層と、応力緩和層上に形成された、シリコン窒化層（ＳｉＮ）からなり、表面に凸状曲面が形成されたマイクロレンズ層と、マイクロレンズ層上に形成された、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含み、表面が平坦化された透明樹脂層とを備える。そして、マイクロレンズ層と、応力緩和層と、第２平坦化層との応力の関係が、マイクロレンズ層＞応力緩和層＞第２平坦化層の関係を満たし、マイクロレンズ層と、応力緩和層と、第２平坦化層との屈折率の関係が、マイクロレンズ層＞応力緩和層＞第２平坦化層の関係を満たし、マイクロレンズ層の屈折率よりも透明樹脂層の屈折率が小さい。
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。

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、半導体基体の光入射面側の上方にケイ素化合物を含む光透過絶縁層を形成する工程と、光透過絶縁層上に、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含む第１平坦化層を形成する工程と、第１平坦化層上に、表面に段差を有するカラーフィルタを形成する工程と、カラーフィルタ上に、アクリル系熱硬化樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含む第２平坦化層を形成する工程と、第２平坦化層上に、ＳｉＯ、ＳｉＮ、及び、組成式ＳｉＯ_ＸＮ_Ｙ（但し、０＜Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から選ばれる少なくとも１種以上のケイ素化合物を含み、屈折率が１．４〜２．０、膜応力が−１００〜１００Ｍｐａであり、第２平坦化層よりも膜応力が大きく、第２平坦化層よりも屈折率が大きい応力緩和層を形成する工程と、応力緩和層上に、シリコン窒化層（ＳｉＮ）からなり、表面に凸状曲面を有し、応力緩和層よりも膜応力が大きく、応力緩和層よりも屈折率が大きいマイクロレンズ層を形成する工程と、マイクロレンズ層上に、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含み、表面が平坦化された、マイクロレンズ層よりも屈折率が小さい透明樹脂層を形成する工程とを有する。

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、樹脂材料からなる第２平坦化層と、ケイ素化合物からなる応力緩和層と、シリコン窒化層からなるマイクロレンズ層とが形成され、各層の膜応力の関係が、マイクロレンズ層＞応力緩和層＞第２平坦化層の関係を満たし、各層の屈折率の関係が、マイクロレンズ層＞応力緩和層＞第２平坦化層の関係を満たす。さらに、マイクロレンズ層上に形成される透明樹脂層の屈折率がマイクロレンズ層よりも小さい。
膜応力差の大きい樹脂材料からなる第２平坦化層とシリコン窒化層からなるマイクロレンズ層との間に、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。さらに、マイクロレンズ層上にマイクロレンズ層よりも屈折率の小さい透明樹脂層が形成される。
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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 本発明に係る電子機器の概略構成図である。 従来の固体撮像素子の構成を示す断面図である。 Ａ〜Ｃは、従来の固体撮像素子の製造工程図である。 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。

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

〈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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_ＸＮ_Ｙ（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。

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。

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。

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。

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。

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。

〈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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〈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。

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。

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。

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。

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。

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。

〈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。

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。

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。

次に、図４Ａ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。

次に、図４Ｂ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。

次に、図４Ｃ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。

次に、図５Ｄ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。

次に、図５Ｅ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_４／Ｏ_２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。

次に、図５Ｆ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。

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。

なお、上述の製造方法の実施の形態では、図４Ｂ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。

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。

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。

〈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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (8)

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設けられたケイ素化合物を含む光透過絶縁層と、
   前記光透過絶縁層上に形成された、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含む第１平坦化層と、
   前記第１平坦化層上に形成された、表面に段差を有するカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタ上に形成された、アクリル系熱硬化樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含む第２平坦化層と、
   前記第２平坦化層上に形成された、ＳｉＯ、ＳｉＮ、及び、組成式ＳｉＯ_ＸＮ_Ｙ（但し、０＜Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から選ばれる少なくとも１種以上のケイ素化合物を含み、屈折率が１．４〜２．０、膜応力が−１００〜１００Ｍｐａの応力緩和層と、
   前記応力緩和層上に形成された、シリコン窒化層（ＳｉＮ）からなり、表面に凸状曲面が形成されたマイクロレンズ層と、
   前記マイクロレンズ層上に形成された、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含み、表面が平坦化された透明樹脂層と、を備え、
   前記マイクロレンズ層と、前記応力緩和層と、前記第２平坦化層との膜応力の関係が、前記マイクロレンズ層＞前記応力緩和層＞前記第２平坦化層の関係を満たし、
   前記マイクロレンズ層と、前記応力緩和層と、前記第２平坦化層との屈折率の関係が、前記マイクロレンズ層＞前記応力緩和層＞前記第２平坦化層の関係を満たし、
   前記マイクロレンズ層の屈折率よりも前記透明樹脂層の屈折率が小さい
   固体撮像素子。
2. 前記光透過絶縁層が、第１光透過絶縁層と、第２光透過絶縁層とから構成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記第１光透過絶縁層の表面に曲面を有する凹部が形成され、前記凹部を埋め込んで表面が平坦化された前記第２光透過絶縁層が形成されている請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記第１光透過絶縁層が、ＰＳＧ（Phosphosilicate glass）又はＢＰＳＧ（Borophosphosilicate glass）からなる請求項２又は３に記載の固体撮像素子。
5. 前記第２光透過絶縁層が、前記第１光透過絶縁層より屈折率が高く、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成された窒化シリコンからなる請求項２から４のいずれかに記載の固体撮像素子。
6. 前記マイクロレンズ層と、前記透明樹脂層との屈折率の差が０．５以上である請求項１から５のいずれかに記載の固体撮像素子。
7. 半導体基体に光電変換部を形成する工程と、
   前記半導体基体の光入射面側の上方にケイ素化合物を含む光透過絶縁層を形成する工程と、
   前記光透過絶縁層上に、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含む第１平坦化層を形成する工程と、
   前記第１平坦化層上に、表面に段差を有するカラーフィルタを形成する工程と、
   前記カラーフィルタ上に、アクリル系熱硬化樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含む第２平坦化層を形成する工程と、
   前記第２平坦化層上に、ＳｉＯ、ＳｉＮ、及び、組成式ＳｉＯ_ＸＮ_Ｙ（但し、０＜Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から選ばれる少なくとも１種以上のケイ素化合物を含み、屈折率が１．４〜２．０、膜応力が−１００〜１００Ｍｐａであり、前記第２平坦化層よりも膜応力が大きく、前記第２平坦化層よりも屈折率が大きい応力緩和層を形成する工程と、
   前記応力緩和層上に、シリコン窒化層（ＳｉＮ）からなり、表面に凸状曲面を有し、前記応力緩和層よりも膜応力が大きく、前記応力緩和層よりも屈折率が大きいマイクロレンズ層を形成する工程と、
   前記マイクロレンズ層上に、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含み、表面が平坦化された、前記マイクロレンズ層よりも屈折率が小さい透明樹脂層を形成する工程と、を有する
   固体撮像素子の製造方法。
8. 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、を有し、
   前記固体撮像素子が、
   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設けられたケイ素化合物を含む光透過絶縁層と、
   前記光透過絶縁層上に形成された、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含む第１平坦化層と、
   前記第１平坦化層上に形成された、表面に段差を有するカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタ上に形成された、アクリル系熱硬化樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含む第２平坦化層と、
   前記第２平坦化層上に形成された、ＳｉＯ、ＳｉＮ、及び、組成式ＳｉＯ_ＸＮ_Ｙ（但し、０＜Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から選ばれる少なくとも１種以上のケイ素化合物を含み、屈折率が１．４〜２．０、膜応力は−１００〜１００Ｍｐａの応力緩和層と、
   前記応力緩和層上に形成された、シリコン窒化層（ＳｉＮ）からなり、表面に凸状曲面が形成されたマイクロレンズ層と、
   前記マイクロレンズ層上に形成された、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、及び、エポキシ系樹脂から選ばれる少なくとも１種以上の樹脂を含み、表面が平坦化された透明樹脂層と、を備え、
   前記マイクロレンズ層と、前記応力緩和層と、前記第２平坦化層との膜応力の関係が、前記マイクロレンズ層＞前記応力緩和層＞前記第２平坦化層の関係を満たし、
   前記マイクロレンズ層と、前記応力緩和層と、前記第２平坦化層との屈折率の関係が、前記マイクロレンズ層＞前記応力緩和層＞前記第２平坦化層の関係を満たし、
   前記マイクロレンズ層の屈折率よりも前記透明樹脂層の屈折率が小さい
   電子機器。