JP2007059755A

JP2007059755A - 固体撮像装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP2007059755A
Application number: JP2005245468A
Authority: JP
Inventors: Makoto Iwabuchi; 信岩淵; Tsuyoshi Yanagida; 剛志柳田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2007-03-08

Abstract

【課題】半導体基板の内部応力及び歪を小さくできるとともに、薄膜化された半導体基板表面へのプロセス加工を高精度になし得る固体撮像装置を提供する。
【解決手段】ウエハから個別の撮像素子サイズに加工された半導体チップ１３を形成し、この半導体チップ１３の光電変換素子１５への光入射側である他方の面１３１ｂを除いたデバイス形成側の一方の面１３１ａと半導体チップ１３の周囲側面に相当するシリコン層１３１の周囲側面１３１ｃ及び配線層１３２の周囲側面１３２ｃを半導体チップ１３ごとに機械的強度維持用の支持層１９で覆う構造にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、一方の面にデバイスが形成され、前記一方の面から該一方の面と反対の他方の面に向けて延在する光電変換素子が形成された半導体基板において、前記半導体基板の薄膜化及び薄膜化後の半導体基板表面へのパターニングや成膜などのプロセス加工を容易になし得るようにした固体撮像装置及びその製造方法に関する。

高強度の薄型半導体装置、例えば、裏面照射型の固体撮像装置には、一方の面に信号電荷を電気信号に変換して出力するＭＯＳトランジスタなどのデバイスを形成し、一方の面と反対の他方の面から一方の面に達するようにフォトダイオードを形成したシリコン基板が用いられ、そして、可視光がシリコン基板の他方の面からフォトダイオードに入射されるように構成されている。したがって、可視光を電気信号に変換する時にフォトダイオードに対するカラーの分光バランスを最適にするためと、画素を一方の面側から他方の面まで所望のデバイス構造に形成するために、シリコン基板の厚さを所望の厚さに薄膜化する必要がある。例えば、裏面照射型の固体撮像装置に使用されるシリコン基板においては、その厚さを１０μｍ以下に薄膜化することが好ましい（特許文献１参照）。

上述のフォトダイオードやＭＯＳトランジスタなどのデバイスを３次元に形成するための半導体基板には、一般的に、支持ベースとなるシリコン基板上にＳｉＯ_２膜を介してフォトダイオード及びデバイス形成用のシリコン層を貼り合せたＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板が用いられる（特許文献２参照）。

次に、図１０〜図１２によりＳＯＩ構造の半導体基板を利用して固体撮像装置を構成する場合の従来例について説明する。
従来の固体撮像装置に使用されるＳＯＩ構造の半導体基板１は、図１０に示すように、ベース用シリコン基板２と、このベース用シリコン基板２上に酸化膜（ＳｉＯ_２）３を介して積層されたシリコン層４とから構成される。
このような半導体基板１のシリコン層４には、その表面側に信号電荷を電気信号に変換して出力するＭＯＳトランジスタなどのデバイス５が形成されるとともに、その表面と反対の他方の面（酸化膜３側）から表面に達するようにフォトダイオード６が形成されている。また、シリコン層４の表面にはデバイス５に対して配線を行う配線層７が形成されている。

このような半導体基板１において、ベース用シリコン基板２と酸化膜３を取り除いて半導体基板１を薄膜化する場合は、まず、図１１（Ａ）に示すように、配線層７の表面に接着層８Ａを介して支持用半導体基板８を貼り合わせ、これにより、半導体基板１の機械的強度を保持する。その後、図１１（Ｂ）に示すように、ベース用シリコン基板２と酸化膜３をウェットエッチングにより除去して薄膜化し、シリコン層４を残す。これにより、シリコン層４を１０μｍ以下の厚さにする。
しかる後、可視光の入射側であるシリコン層４の表面には、フォトダイオード６と正対する部位を除いた領域に形成した反射防止膜９Ａと、フォトダイオード６と対向する反射防止膜９Ａの表面上にカラーフィルタ９Ｂを介して積層したマイクロレンズ９Ｃがそれぞれ設けられる。そして、支持用半導体基板８を含むシリコン層４を図１１（Ｂ）に示す破線の位置でダイシングすることにより、図１２に示すような裏面照射型の固体撮像装置９を構成する。
特開２００３−３１７８５号公報特開平１０−２５６２６１号公報

このような裏面照射型固体撮像装置の製造においては、配線層５の形成側と反対の面から可視光を入射させる関係上、半導体基板１の薄膜化が必要であるが、半導体基板１を薄膜化した場合、その基板強度の低下が問題になる。そこで、従来においては、半導体基板の強度を向上するために、半導体基板１に別の支持用半導体基板８を貼り合わせるか、または入射光を得るために必要な箇所のみをウエハプロセス加工により薄膜化することによって基板強度の低下を解決していた。

しかしながら、半導体基板１に支持用半導体基板８を接着剤により貼り合わせる場合には、低温で行う必要であるが、低温での貼り合わせは、半導体基板１と支持用半導体基板８との密着強度が得られにくいほか、接着層に熱膨張係数の大きい材料や硬化収縮の大きい材料を使用すると、フォトダイオードを形成したシリコン層４が内部応力によって歪んでしまい、また、その歪量もシリコン層４の中央部分と周辺部分で差があるため、ダイシング後の製品の特性にばらつきが生じるという問題がある。また、熱膨張係数がシリコンに近い材料を選んでも硬化時に発生したアウトガスがシリコン層４にブリスターを発生させる問題があり、さらに、貼り合わせ温度を低温にした場合に薄膜化後のシリコン裏面へのＣＶＤ膜成膜時の熱が貼り合わせ温度より高いと、上記シリコン層４にブリスターが発生するという問題がある。
また、ＳＯＩ構造の半導体基板のように半導体基板１と支持用半導体基板８を貼り合わせる接着層には半導体基板との熱膨張係数差による半導体基板の歪みの抑制や強い密着性及び耐熱性や耐薬品性を同時に満たす材料がない。このため、薄膜化した半導体基板の表面に精度良くパターニングを形成することや半導体基板の表面側に膜質のよい絶縁膜などを形成することが困難であった。しかも、半導体基板が２枚必要であることからコスト高にもなっていた。

また、入射光を得るために必要な箇所のみを薄膜化する方式では、シリコン層４の裏面に生じる段差や凹凸が大きく、その結果、光が入射する側での裏面の加工工程やカラーフィルタおよびオンチップレンズの形成に必要なレジスト塗布に際し、上記段差や凹凸による塗布ムラが発生してしまい、カラーフィルタやオンチップレンズの形成に支障を来たす問題がある。すなわち、シリコン層４の裏面に精度良くパターニングを形成できなくなるとともにシリコン層４の裏面に膜質のよい絶縁膜を形成することが困難になり、固体撮像素子の感度が低下し、製品の歩留まりが低下するという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、半導体基板の内部応力及び歪を小さくできるとともに、薄膜化された半導体基板表面への色フィルタやマイクロレンズなどのプロセス加工を高精度になし得るようにした固体撮像装置及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の固体撮像装置は、一方の面にデバイスが形成され、前記一方の面から該一方の面と反対の他方の面に向けて延在するように光電変換素子が形成されている半導体基板を個別の撮像素子サイズに加工してなる半導体チップを有し、前記一方の面及び前記他方の面を除いた前記半導体チップの周囲側面と前記一方の面が前記半導体チップの機械的強度を維持できる厚さの支持層で覆われていることを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置は、一方の面にデバイスが形成され、前記一方の面から該一方の面と反対の他方の面に向けて延在するように光電変換素子が形成されている半導体基板を有し、前記半導体基板の一方の面に前記デバイスの配線を行う配線層が設けられ、前記配線層の表面に前記半導体基板の機械的強度を維持する支持層が設けられていることを特徴とする。

また、本発明は、一方の面にデバイスが形成され、前記一方の面から該一方の面と反対の他方の面に向けて延在するように光電変換素子が形成されている半導体基板を個別の撮像素子サイズに加工してなる半導体チップと、前記半導体チップの前記一方の面に設けられ前記デバイスの配線を行う配線層とを有する固体撮像装置の製造方法であって、平坦な上面を有する台座を有し、前記半導体チップを該半導体チップの他方の面が前記台座の上面と対向されるようにして前記台座上に所望間隔離して複数個マトリクス状に配列し接着する工程と、前記各半導体チップ間に形成される隙間を支持層形成用材料で埋め込むとともに前記半導体チップの一方の面及び前記台座の上面上に臨む前記半導体チップの周囲側面を支持層形成用材料で所望の厚さに覆って一体化する工程と、前記台座を研削して取り除いた後に前記半導体チップの他方の面側を前記支持層形成用材料ごと前記光電変換素子が前記他方の面に露出する位置まで研削して前記半導体チップを薄膜化する工程と、前記研削された他方の面に前記光電変換素子に対応して色フィルタ及びマイクロレンズを形成する工程と、前記一体化された半導体チップを１チップごとにダイシングして分離する工程とを備えることを特徴とする。

また、本発明は、一方の面にデバイスが形成され、前記一方の面から該一方の面と反対の他方の面に向けて延在するように光電変換素子が形成されている半導体基板を個別の撮像素子サイズに加工してなる半導体チップと、前記半導体チップの前記一方の面に設けられ前記デバイスの配線を行う配線層とを有する固体撮像装置の製造方法であって、前記半導体チップを埋没状態に収容する収容部を所望間隔離して複数個マトリクス状に形成してなる支持部材を有し、前記半導体チップを該半導体チップの一方の面が前記収容部の底面と対向されるようにして前記支持部材の各収容部内に挿着する工程と、前記各収容部内に挿着された半導体チップの周囲側面と該周囲側面と対向する前記収容部の内周面との間に形成される空間を充填材で埋め込むとともに前記収容部の開口に臨む前記半導体チップの他方の面を充填材で覆って前記支持部材と一体化する工程と、前記半導体チップの他方の面側を前記支持部材および前記充填材ごと前記光電変換素子が前記他方の面に露出する位置まで研削して前記半導体チップを薄膜化する工程と、前記研削された他方の面に前記光電変換素子に対応して色フィルタ及びマイクロレンズを形成する工程と、前記一体化された半導体チップを１チップごとにダイシングして分離する工程とを備えることを特徴とする。

また、本発明は、一方の面にデバイスが形成され、前記一方の面から該一方の面と反対の他方の面に向けて延在するように光電変換素子が形成されている半導体基板を用いた固体撮像装置の製造方法であって、前記半導体基板の一方の面に前記デバイスの配線を行う配線層を形成する工程と、前記配線層の表面に前記半導体基板の機械的強度を維持する支持層を形成する工程と、前記他方の面側を前記光電変換素子が前記他方の面に露出する位置まで研削して前記半導体基板を薄膜化する工程と、前記研削された他方の面に前記光電変換素子に対応して色フィルタ及びマイクロレンズを形成する工程とを備えることを特徴とする。

本発明にかかる固体撮像装置及びその製造方法によれば、ウエハから個別の撮像素子サイズに加工された半導体チップを形成し、この半導体チップの光電変換素子への光入射側である他方の面を除いたデバイス形成側の一方の面と半導体チップの周囲側面とを半導体チップごとに機械的強度維持用の支持層で覆う構造にしたので、半導体チップの支持層への接着面積がチップサイズで済み、これに伴い熱膨張係数差に左右されることなく半導体基板の内部応力及び歪を小さくできるとともに、薄膜化された後の半導体基板表面への色フィルタやマイクロレンズなどのプロセス加工を高精度に行うことができる。

また、本発明にかかる固体撮像装置及びその製造方法によれば、半導体基板にデバイス及び光電変換素子を形成し、この半導体基板の光電変換素子側表面を研削して半導体基板を薄膜化する前に、半導体基板の一方の面に形成した配線層の表面に機械的強度維持用の支持層を低温成膜または樹脂系材料の塗布により形成したので、従来のように半導体基板への支持層の形成に接着層が不要になり、これに伴い熱膨張係数差に左右されることなく半導体基板の内部応力及び歪を小さくできるとともに、薄膜化された後の半導体基板表面への色フィルタやマイクロレンズなどのプロセス加工を高精度に行うことができる。

（実施の形態１）
以下、本発明にかかる固体撮像装置及びその製造方法について図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態１における固体撮像装置の断面図、図２は本発明の実施の形態１における固体撮像装置の製造過程を示す断面図、図３は本発明の実施の形態１における固体撮像装置の製造過程を示す断面図である。

図１において、裏面照射型の固体撮像装置１０は、光電変換素子（フォトダイオード）及び光電変換素子で光電変換された信号電荷を電気信号に変換して出力する能動素子（デバイス）を含む単位画素が行列状に配列されてなる撮像素子をマトリクス状に形成した半導体基板（シリコンウエハ）を撮像素子ごとにダイシングすることで分割された半導体チップ１３を有する。
前記半導体チップ１３は、光電変換素子及び能動素子（デバイス）が形成されるシリコン層１３１と、このシリコン層１３１の一方の面１３１ａに形成され前記能動素子（デバイス）の配線を行う配線層１３２とを有している。そして、図示省略の前記能動素子（デバイス）はシリコン層１３１の一方の面１３１ａ側に形成され、さらに、前記光電変換素子１５はシリコン層１３１の一方の面１３１ａから該一方の面１３１ａと反対の他方の面１３１ｂに向けて延在するように形成されている。また、シリコン層１３１には、その一方の面１３１ａに形成された能動素子（デバイス）を含む回路パターンとの位置合せを行うためのアライメントマーク１７が形成されている。

前記シリコン層１３１の他方の面１３１ｂを除く半導体チップ１３の底面に相当する配線層１３２の下面１３２ａと、半導体チップ１３の周囲側面、すなわちシリコン層１３１の周囲側面１３１ｃ及び配線層１３２の周囲側面１３２ｃは半導体チップ１３の機械的強度を維持できる厚さの支持層１９によって覆われ、半導体チップ１３が支持層１９内に埋設された一体構造に構成されている。この支持層１９には樹脂系材料が用いられる。また、シリコン層１３１の他方の面１３１ｂには反射防止膜２１が形成され、さらに、この反射防止膜２１上には光電変換素子１５に対応して色フィルタ２３及びマイクロレンズ２５が設けられている。

次に、本実施の形態１における固体撮像装置の製造方法について図２、図３を参照して説明する。
まず、単位画素が行列状に配列されてなる撮像素子をマトリクス状に形成した半導体基板（シリコンウエハ）を撮像素子ごとにダイシングして分割し、個別の半導体チップ１３を用意しておく。
次に、所望の表面積を有する樹脂系材料からなる平板状の台座２７を図示省略の製造装置にセットし、しかる後、図２（Ａ）に示すように、台座２７上に半導体チップ１３をそのシリコン層１３１の他方の面１３１ｂが台座２７の上面と対向されるようにして台座２７上に所望間隔離して複数個マトリクス状に配列し、かつ接着層２９により台座２７上に接着する（工程１１）。

次に、図２（Ｂ）に示すように、互いに隣接する各半導体チップ１３間に形成される隙間Ｄを樹脂系材料からなる支持層形成用材料１９１で埋め込むとともに、半導体チップ１３の底面に相当する配線層１３２の下面１３２ａと、台座２７の上面上に臨む半導体チップ１３の周囲側面、すなわちシリコン層１３１の周囲側面１３１ｃ及び配線層１３２の周囲側面１３２ｃを樹脂系材料からなる支持層形成用材料１９２，１９３で所望の厚さに覆い固化することで、半導体チップ１３が支持層形成用材料内に埋設された一体構造にする（工程１２）。
次に、図２（Ｃ）に示すように、台座２７を研削などにより除去した後、半導体チップ１３の光入射側であるシリコン層１３１の他方の面１３１ｂ側を支持層形成用材料１９１，１９２ごと光電変換素子１５が前記他方の面１３１ｂに露出されるレベルである破線に示す位置までウェットエッチングなどの手段により研削して、半導体チップ１３のシリコン層１３１を薄膜化する（工程１３）。さらに、そのエッチング表面はＣＭＰ（化学機械研磨）により平坦化される。この時の光電変換素子１５の厚さ、すなわちシリコン層１３１の厚さは１０μm以下であり、これは可視光を電気信号に変換する時にカラーの分光バランスを最適にするためである。

次に、図３に示すように、研削により薄膜化されたシリコン層１３１の他方の面１３１ｂに反射防止膜２１を形成し、さらに、この反射防止膜２１上に光電変換素子１５に対応して色フィルタ２３及びマイクロレンズ２５を形成する。しかる後、支持層形成用材料で一体化された半導体チップ１３を１チップごとに図３に示す破線でダイシングすることにより分離する（工程１４）。これにより、図１に示すように支持層１９により覆われた裏面照射型の固体撮像装置１０を得ることができる。

このような本実施の形態１における固体撮像装置１０及びその製造方法によれば、ウエハから個別の撮像素子サイズに加工された半導体チップ１３を形成し、この半導体チップ１３の光電変換素子１５への光入射側である他方の面１３１ｂを除いた半導体チップ１３の周囲側面に相当するシリコン層１３１の周囲側面１３１ｃ及び配線層１３２の周囲側面１３２ｃならびに配線層１３２の下面１３２ａを半導体チップ１３ごとに機械的強度維持用の支持層１９で覆う構造にしたので、半導体チップ１３の支持層１９への接着面積がチップサイズで済み、その接着面積を小さくできる。これに伴い、熱膨張係数がシリコンより大きい材質の接着を用いても、シリコン基板との熱膨張係数差に左右されることなく半導体基板の内部応力及び歪を小さくできるとともに、接着材料に耐熱性や耐薬品性の高い材料を選ぶことができ、しかも、薄膜化された後のシリコン層１３１の光入射側表面への反射防止膜、色フィルタ及びマイクロレンズなどのプロセス加工を通常のウエハプロセス条件で高精度に行うことができる。これにより、裏面照射型固体撮像装置の感度低下を抑制し、所望の特性を歩留まりよく得ることができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における固体撮像装置及びその製造方法について図４〜図６を参照して説明する。
図４は本発明の実施の形態２における固体撮像装置の断面図、図５は本発明の実施の形態２における固体撮像装置の製造過程を示す断面図、図６は本発明の実施の形態２における固体撮像装置の製造過程を示す断面図である。

図４において、裏面照射型の固体撮像装置４０は、光電変換素子（フォトダイオード）及び光電変換素子で光電変換された信号電荷を電気信号に変換して出力する能動素子（デバイス）を含む単位画素が行列状に配列されてなる撮像素子をマトリクス状に形成した半導体基板（シリコンウエハ）を撮像素子ごとにダイシングすることで分割された半導体チップ４３を有する。
前記半導体チップ４３は、光電変換素子及び能動素子（デバイス）が形成されるシリコン層４３１と、このシリコン層４３１の一方の面４３１ａに形成され前記能動素子（デバイス）の配線を行う配線層４３２とを有している。そして、図示省略の前記能動素子（デバイス）はシリコン層４３１の一方の面４３１ａ側に形成され、さらに、前記光電変換素子４５はシリコン層４３１の一方の面４３１ａから該一方の面４３１ａと反対の他方の面４３１ｂに向けて延在するように形成されている。また、シリコン層４３１には、その一方の面４３１ａに形成された能動素子（デバイス）を含む回路パターンとの位置合せを行うためのアライメントマーク４７が形成されている。

前記シリコン層４３１の他方の面４３１ｂを除く半導体チップ４３の底面に相当する配線層１３２の下面４３２ａと、半導体チップ４３の周囲側面、すなわちシリコン層４３１の周囲側面４３１ｃ及び配線層４３２の周囲側面４３２ｃは半導体チップ４３の機械的強度を維持できる厚さの支持層４１によって覆い固化することで、半導体チップ４３が支持層４１内に埋設された一体構造にする。この支持層４１には樹脂系材料が用いられる。また、シリコン層４３１の他方の面４３１ｂには反射防止膜５１が形成され、さらに、この反射防止膜５１上には光電変換素子４５に対応して色フィルタ５３及びマイクロレンズ５５が設けられている。なお、配線層４３２の下面４３２ａは接着層５９を介して支持層４１の内面に接着されている。

次に、本実施の形態２における固体撮像装置の製造方法について図５、図６を参照して説明する。
まず、単位画素が行列状に配列されてなる撮像素子をマトリクス状に形成した半導体基板（シリコンウエハ）を撮像素子ごとにダイシングして分割された半導体チップ４３を用意しておく。
前記半導体チップ４３の支持層４１は、半導体チップ４３の体積より大きく、かつ半導体チップ４３を埋没状態に収容する収容部４１１を所望間隔離して複数個マトリクス状に形成してなる支持部材４１２を含んで構成される。この支持部材４１２を予め用意しておく。
次に、前記支持部材４１２を図示省略の製造装置にセットし、しかる後、図５（Ａ）に示すように、支持部材４１２の収容部４１１内に半導体チップ４３を、その配線層４３２の下面４３２ａが収容部４１１の底面と対向されるように挿入し、かつ接着層５９により収容部４１１の底面に接着する（工程２１）。

次に、図５（Ｂ）に示すように、半導体チップ４３の周囲側面、すなわちシリコン層４３１の周囲側面４３１ｃ及び配線層４３２の周囲側面４３２ｃとこれら周囲側面と対向する収容部４１１の内周面との間に形成される空間４１１ａを樹脂系材料からなる充填材５７で埋め込み、さらに収容部４１１の開口に臨むシリコン層４３１の他方の面４３１ｂを充填材５７で覆って、半導体チップ４３を支持部材４１２内に埋設した一体構造にする（工程２２）。なお、支持部材４１２と充填材５７が半導体チップ４３の支持層４１を構成する。
次に、図５（Ｃ）に示すように、半導体チップ４３の光入射側であるシリコン層４３１の他方の面４３１ｂ側を充填材５７および支持部材４１２ごと光電変換素子４５が前記他方の面４３１ｂに露出されるレベルである破線に示す位置まで研削して、半導体チップ４３のシリコン層４３１を薄膜化する（工程２３）。さらに、そのエッチング表面はＣＭＰ（化学機械研磨）により平坦化される。この時の光電変換素子４５の厚さ、すなわちシリコン層４３１の厚さは１０μm以下であり、これは可視光を電気信号に変換する時にカラーの分光バランスを最適にするためである。

次に、図６に示すように、研削により薄膜化されたシリコン層４３１の他方の面４３１ｂに反射防止膜５１を形成し、さらに、この反射防止膜５１上に光電変換素子４５に対応して色フィルタ５３及びマイクロレンズ５５を形成する。しかる後、支持部材４１２と一体化された半導体チップ４３を１チップごとに図６に示す破線でダイシングすることにより分離する（工程２４）。これにより、図４に示すように支持層４１により覆われた裏面照射型の固体撮像装置４０を得ることができる。

このような本実施の形態２における固体撮像装置４０及びその製造方法によれば、ウエハから個別の撮像素子サイズに加工された半導体チップ４３を形成し、この半導体チップ４３の光電変換素子４５への光入射側である他方の面４３１ｂを除いたデバイス形成側の一方の面４３１ａと半導体チップ４３の周囲側面に相当するシリコン層４３１の周囲側面４３１ｃ及び配線層４３２の周囲側面４３２ｃならびに配線層４３２の下面４３２ａを半導体チップ４３ごとに機械的強度維持用の支持層４１で覆う構造にしたので、半導体チップ４３の支持層４１への接着面積がチップサイズで済み、その接着面積を小さくできる。これに伴い、熱膨張係数がシリコンより大きい材質の接着材を用いても、シリコン基板との熱膨張係数差に左右されることなく半導体基板の内部応力及び歪を小さくできるとともに、接着材料に耐熱性や耐薬品性の高い材料を選ぶことができ、しかも、薄膜化された後のシリコン層４３１の光入射側表面への反射防止膜、色フィルタ及びマイクロレンズなどのプロセス加工を通常のウエハプロセス条件で高精度に行うことができる。これにより、裏面照射型固体撮像装置の感度低下を抑制し、所望の特性を歩留まりよく得ることができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３における固体撮像装置及びその製造方法について図７〜図９を参照して説明する。
図７は本発明の実施の形態３における固体撮像装置の断面図、図８は本発明の実施の形態３における固体撮像装置の製造過程を示す断面図、図９は本発明の実施の形態３における固体撮像装置の製造過程を示す断面図である。

図７において、裏面照射型の固体撮像装置６０は、光電変換素子（フォトダイオード）６１及び光電変換素子６１で光電変換された信号電荷を電気信号に変換して出力する図示省略の能動素子（デバイス）を含む単位画素が行列状に配列されてなる撮像素子をマトリクス状に形成したシリコンウエハからなる半導体基板６０１と、この半導体基板６０１の一方の面６０１ａに形成され前記能動素子（デバイス）の配線を行う配線層６０３とを有している。そして、前記図示省略の能動素子（デバイス）は半導体基板６０１の一方の面６０１ａ側に形成され、さらに、前記光電変換素子６１は半導体基板６０１の一方の面６０１ａから該一方の面６０１ａと反対の他方の面６０１ｂに向けて延在するように形成されている。また、前記配線層６０３の表面には、半導体基板６０１の機械的強度を維持する所望厚さの支持層６０５が絶縁膜６９を介して設けられている。
また、半導体基板６０１の他方の面６０１ｂには反射防止膜６３が形成され、さらに、この反射防止膜６３上には光電変換素子６１に対応して色フィルタ６５及びマイクロレンズ６７が設けられている。

次に、本実施の形態３における固体撮像装置の製造方法について図８、図９を参照して説明する。
まず、図８（Ａ）に示すように、ウエハレベルのｎ型シリコンからなる半導体基板６０１の一方の面６０１ａに素子分離やゲート電極を形成するとともに、イオン打ち込みにより論理素子や能動素子等のデバイス及びに光電変換素子（フォトダイオード）６１を通常のイメージセンサと同一の工程で形成する。さらに、半導体基板６０１の一方の面６０１ａには、層間膜を介して金属配線を多層にした配線層６０３を形成し、この配線層６０３の上面にＳｉＯ_２からなる絶縁膜６９を形成する。また、半導体基板６０１の他方の面６０１ｂにＳｉＯ_２からなるエッチングストップ層７１を介してシリコン、有機膜などからなる基板支持材７３を数百μｍの厚さに形成する（工程３１）。

次に、図８（Ｂ）に示すように、配線層６０３の絶縁膜６９の表面上に半導体基板６０１の機械的強度を維持する支持層６０５を形成する（工程３２）。この支持層６０５は、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、シリコン、酸化膜（ＳｉＯ_２）を数十〜数百μｍの厚さにＣＶＤやプラズマＣＶＤなどの低温成膜（例えば、成膜温度１００〜４００℃程度）によって形成する。または、樹脂系材料を数十〜数百μｍの厚さに塗布した後、低温で焼き固めることによって形成する（工程３２）。
次いで、図８（Ｃ）に示すように、支持層６０５の表面に耐ウェットエッチング（例えば、フッ硝酸）の特性を持つ保護膜（例えば、パッシベーション膜：Ｐ−ＳｉＮ）７５を形成する（工程３３）。

次に、図８（Ｃ）に示す構造体を図９（Ａ）に示すように反転した状態で、数百μｍの厚さを有する基板支持材７３を数十μｍ程度残して研磨により削除し薄膜化する（工程３４）。その後、図９（Ｂ）に示すように、フッ硝酸を用いたウェットエッチングによりエッチングストップ層７１上に残留する基板支持材７３を除去する（工程３５）。次いで、図９（Ｃ）に示すように、エッチングストップ層７１を剥離して除去する（工程３６）。次に、図７に示すように、エッチングストップ層７１を剥離した半導体基板６０１の他方の面６０１ｂに反射防止膜６３を形成し、さらに、この反射防止膜６３上に光電変換素子６１に対応して色フィルタ６５及びマイクロレンズ６７を形成する。しかる後、半導体基板６０１を１チップごとに図９（Ｃ）に示す破線でダイシングすることにより分離すれば、図７に示すように支持層６０５で覆われた裏面照射型の固体撮像装置６０を得ることができる。

このような本実施の形態３における固体撮像装置６０及びその製造方法によれば、半導体基板６０１にデバイス及び光電変換素子を形成し、この半導体基板６０１の光電変換素子側表面を研削して半導体基板６０１を薄膜化する前に、半導体基板６０１の一方の面６０１ａに形成した配線層６０３の表面に機械的強度維持用の支持層６０５を低温成膜または樹脂系材料の塗布により形成して焼き固めるようにしたので、薄膜化後の半導体基板を十分に強度を有する構造にでき、しかも、従来のように半導体基板６０１への支持層６０５の形成に接着層が不要になる。これにより、半導体基板熱膨張係数差に左右されることなく半導体基板６０１の内部応力及び歪を小さくできるとともに、薄膜化された後の半導体基板６０１の光入射側表面への色フィルタやマイクロレンズなどのプロセス加工を高精度に行うことができ、また、大きな段差ができないため、半導体基板６０１の光入射側面の加工工程における塗布ムラなども発生することがない。
また、従来のようにデバイス及び光電変換素子が形成される半導体基板の他に支持用の半導体基板が不要になるため、低コスト化できる効果がある。

なお、本実施の形態３に使用される半導体基板は、図８（Ａ）に示す構造のものに限らず、ＳＯＩ構造の半導体基板であってもよい。
また、半導体基板にＳＯＩ基板を用いた場合、薄膜化のためＢＯＸ層（ＳｉＯ_２）を除去する工程が必要であるため、耐フッ酸性を持つ保護膜を有する構造を持つことが望ましい。

本発明の実施の形態１における固体撮像装置の断面図である。本発明の実施の形態１における固体撮像装置の製造過程を示す断面図である。本発明の実施の形態１における固体撮像装置の製造過程を示す断面図である。本発明の実施の形態２における固体撮像装置の断面図である。本発明の実施の形態２における固体撮像装置の製造過程を示す断面図である。本発明の実施の形態２における固体撮像装置の製造過程を示す断面図である。本発明の実施の形態３における固体撮像装置の断面図である。本発明の実施の形態３における固体撮像装置の製造過程を示す断面図である。本発明の実施の形態３における固体撮像装置の製造過程を示す断面図である。従来における半導体基板の断面図である。従来における半導体基板を用いた固体撮像装置の製造過程を示す断面図である。従来における裏面照射型固体撮像装置の断面図である。

符号の説明

１０，４０，６０……固体撮像装置、１３，４３，６３……半導体チップ、１７……アライメントマーク、１９……支持層、２７……台座、１３１，４３１，６３１……シリコン層、１３２，４３２，６３２……配線層、１５，４５，６１……光電変換素子、２１，５１，６３……反射防止膜、２３，５３，６５……色フィルタ、２５，５５，６７……マイクロレンズ、４１……支持層、４１１……収容部、４１２……支持部材、７……充填材、６０１……半導体基板、６０５……支持層。

Claims

一方の面にデバイスが形成され、前記一方の面から該一方の面と反対の他方の面に向けて延在するように光電変換素子が形成されている半導体基板を個別の撮像素子サイズに加工してなる半導体チップを有し、
前記一方の面及び前記他方の面を除いた前記半導体チップの周囲側面と前記一方の面が前記半導体チップの機械的強度を維持できる厚さの支持層で覆われている、
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記他方の面を研削して前記半導体チップを薄膜化したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記他方の面を研削して前記半導体チップを薄膜化し、前記研削された他方の面に前記光電変換素子に対応して色フィルタ及びマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記半導体チップの前記一方の面に前記デバイスの配線を行う配線層が設けられていることを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
前記半導体チップの前記他方の面から前記一方の面に向けて延在するアライメントマークが形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
一方の面にデバイスが形成され、前記一方の面から該一方の面と反対の他方の面に向けて延在するように光電変換素子が形成されている半導体基板を有し、
前記半導体基板の一方の面に前記デバイスの配線を行う配線層が設けられ、
前記配線層の表面に前記半導体基板の機械的強度を維持する支持層が設けられている、
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記半導体チップの前記他方の面を研削して前記半導体チップを薄膜化し、前記研削された他方の面に前記光電変換素子に対応して色フィルタ及びマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
前記支持層は、アモルファスシリコン、多結晶シリコンその他の低温成膜層もしくは樹脂材料の塗布層であることを特徴とする請求項１または６記載の固体撮像装置。
一方の面にデバイスが形成され、前記一方の面から該一方の面と反対の他方の面に向けて延在するように光電変換素子が形成されている半導体基板を個別の撮像素子サイズに加工してなる半導体チップと、前記半導体チップの前記一方の面に設けられ前記デバイスの配線を行う配線層とを有する固体撮像装置の製造方法であって、
平坦な上面を有する台座を有し、
前記半導体チップを該半導体チップの他方の面が前記台座の上面と対向されるようにして前記台座上に所望間隔離して複数個マトリクス状に配列し接着する工程と、
前記各半導体チップ間に形成される隙間を支持層形成用材料で埋め込むとともに前記半導体チップの一方の面及び前記台座の上面上に臨む前記半導体チップの周囲側面を支持層形成用材料で所望の厚さに覆って一体化する工程と、
前記台座を研削して取り除いた後に前記半導体チップの他方の面側を前記支持層形成用材料ごと前記光電変換素子が前記他方の面に露出する位置まで研削して前記半導体チップを薄膜化する工程と、
前記研削された他方の面に前記光電変換素子に対応して色フィルタ及びマイクロレンズを形成する工程と、
前記一体化された半導体チップを１チップごとにダイシングして分離する工程と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
前記支持層形成用材料が樹脂材であることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置の製造方法。
前記台座上に配列された半導体チップは接着層を介して前記台座上に固着されることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置の製造方法。
一方の面にデバイスが形成され、前記一方の面から該一方の面と反対の他方の面に向けて延在するように光電変換素子が形成されている半導体基板を個別の撮像素子サイズに加工してなる半導体チップと、前記半導体チップの前記一方の面に設けられ前記デバイスの配線を行う配線層とを有する固体撮像装置の製造方法であって、
前記半導体チップを埋没状態に収容する収容部を所望間隔離して複数個マトリクス状に形成してなる支持部材を有し、
前記半導体チップを該半導体チップの一方の面が前記収容部の底面と対向されるようにして前記支持部材の各収容部内に挿着する工程と、
前記各収容部内に挿着された半導体チップの周囲側面と該周囲側面と対向する前記収容部の内周面との間に形成される空間を充填材で埋め込むとともに前記収容部の開口に臨む前記半導体チップの他方の面を充填材で覆って前記支持部材と一体化する工程と、
前記半導体チップの他方の面側を前記支持部材および前記充填材ごと前記光電変換素子が前記他方の面に露出する位置まで研削して前記半導体チップを薄膜化する工程と、
前記研削された他方の面に前記光電変換素子に対応して色フィルタ及びマイクロレンズを形成する工程と、
前記一体化された半導体チップを１チップごとにダイシングして分離する工程と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
前記収容部内に挿着される半導体チップは接着層を介して前記収容部の底面に固着されることを特徴とする請求項１２記載の固体撮像装置の製造方法。
前記充填材は樹脂系材料であることを特徴とする請求項１２記載の固体撮像装置の製造方法。
一方の面にデバイスが形成され、前記一方の面から該一方の面と反対の他方の面に向けて延在するように光電変換素子が形成されている半導体基板を用いた固体撮像装置の製造方法であって、
前記半導体基板の一方の面に前記デバイスの配線を行う配線層を形成する工程と、
前記配線層の表面に前記半導体基板の機械的強度を維持する支持層を形成する工程と、
前記他方の面側を前記光電変換素子が前記他方の面に露出する位置まで研削して前記半導体基板を薄膜化する工程と、
前記研削された他方の面に前記光電変換素子に対応して色フィルタ及びマイクロレンズを形成する工程と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
前記半導体基板を薄膜化する工程がウェットエッチングである場合、前記支持層の表面が保護膜で覆われていることを特徴とする請求項１５記載の固体撮像装置の製造方法。
前記半導体基板がシリコン基板またはＳＯＩ基板であることを特徴とする請求項１５記載の固体撮像装置の製造方法。
前記支持層は、アモルファスシリコン、多結晶シリコンその他の低温成膜層もしくは樹脂材料の塗布層であることを特徴とする請求項１５記載の固体撮像装置の製造方法。