JP2008053530A - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長時間露光を行う際に生じる擬似信号の発生を抑制し、入射光量に忠実な出力信号を得ることの可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】裏面が研磨加工により薄型化され、光電変換部を具えた半導体基板で構成された固体撮像素子であって、前記半導体基板の裏面が酸化チタン塗布膜などの反射防止手段を具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子およびその製造方法に関する。

CCD（Charge Coupled Device）を含む固体撮像素子は、携帯電話やデジタルカメラなどへの適用の必要性から小型化への要求が高まっている。
このように小型化への要求に伴い、薄型化も進んでおり、薄型化のためにいろいろな構造が提案されている。例えば、本出願人においても、複数の固体撮像素子 が形成された半導体ウェハの裏面を研磨し、薄型化して、ダイシングテープでダイシングリングに装着し、ダイシングすることによって形成した薄型の固体撮像素子が提案されている（例えば特許文献１）。この構造では、薄型の素子形成が可能となり、実装サイズの小型化を図ることが可能となるとしている。

特開2005-203679号公報

ところで、このような薄型の固体撮像素子においては、上述したようにシリコン基板表面に素子領域を形成した後、バックグラインドすなわち裏面研磨により、薄型化をはかるとともに、センサ裏面の仕上がりが鏡面となるように構成されている。
この場合、カメラとして用いる際に、長時間露光を行うと、擬似信号により撮像エリアが白色に変化する場合があった。これは不要電荷検出によるものと見受けられる。そしてこのような擬似信号はシリコン基板の厚さにより強度が変化することがわかった。一方、バックグラインドを行わない場合には、擬似信号に起因するノイズは極めて低い。
またこの擬似信号は、近赤外光に敏感に反応し、他の領域の光に対しては極めて反応が鈍いのではないかと考えられる。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、長時間露光を行う際に生じる擬似信号の発生を抑制し、入射光量に忠実な出力信号を得ることの可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

そこで本発明は、裏面が薄型化加工され、光電変換部を具えた半導体基板で構成された固体撮像素子であって、前記半導体基板の裏面が反射防止手段を具備したことを特徴とする。
この構成により、裏面に反射防止手段を具備しているため、長時間露光に際しても裏面からの反射光が入射しないようにすることができ、入射光量に忠実な出力信号を得る事が出来る。なおこの薄膜化加工は、研磨加工でもエッチング加工でもよく、素子形成後裏面からの加工によって実現される。

また、本発明は、上記固体撮像素子において、前記反射防止手段が、金属酸化物の超微粒子を含有した塗布膜であるものを含む。
この構成により、超微粒子の粒径、および組成により、屈折率の調整が容易であり、所望の屈折率を有する反射防止膜を形成することが可能となる。

また、本発明は、上記固体撮像素子において、前記反射防止手段が、酸化チタンの超微粒子を含有した塗布膜であるものを含む。
バルクの酸化チタンの屈折率は２．１程度であるため、これを超微粒子にし、１．８から２．１の所望の屈折率を容易に得ることができることから、この構成により、制御性よく反射防止機能を備えた膜を形成することが可能となる。反射防止膜としては、１．８から２．１の所望の屈折率をもつように塗布膜の組成を調整するのが望ましい。

また、本発明は、上記固体撮像素子において、前記反射防止手段が、アクリル樹脂膜であるものを含む。
この構成によれば、アクリル樹脂膜を採用することにより、塗布および硬化が容易である。

また、本発明は、上記固体撮像素子において、前記反射防止手段は鏡面加工のなされた前記半導体基板の裏面に形成された膜であるものを含む。
鏡面加工のなされた薄い半導体基板の場合、長時間露光に際しては、裏面からの反射光が固体撮像素子に入射し、擬似信号の原因となりやすいが、この構成により、裏面からの反射光による誤動作は皆無となる。

また、本発明は、上記固体撮像素子において、前記反射防止手段は、多層膜であるものを含む。
この構成により、制御性よく所望の屈折率を得ることができ、より薄い膜厚で反射防止機能を高めることができる。

また、本発明は、上記固体撮像素子において、前記半導体基板は研磨によって厚さ６２５μｍ以下とされたものを含む。
この構成により、裏面からの反射光の影響を受け易い薄型基板の場合にも反射防止機能を具有することから、信頼性の高い固体撮像素子を提供することが可能となる。

また、本発明は、上記固体撮像素子において、前記半導体基板は実装基板に対して、銀ペースト層を介して固着されるものを含む。
銀ペーストを、固体撮像素子基板を構成する半導体基板の裏面に密着性よく塗布し、実装基板上に実装する場合反射が生じやすいが、反射防止膜を具有していることから反射光による擬似信号を低減することが可能となる。

また、本発明は、半導体基板表面に光電変換部を含む素子領域を形成する工程と、前記半導体基板の裏面を薄型化する工程と、薄型化のなされた前記半導体基板裏面に、反射防止手段を形成する工程とを含む。
この構成により、半導体基板裏面からの反射を防止し、反射光による擬似信号を低減することができる。

また、本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記反射防止手段を形成する工程は、金属酸化物の超微粒子を分散した分散液を塗布する工程を含む。
この構成により、極めて容易に制御性よく反射防止手段を形成することが可能となる。

また、本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記反射防止手段を形成する工程は、酸化チタンの超微粒子を含有した分散液を塗布する工程を含む。
この構成により、酸化チタンは屈折率が２．１程度と大きく、所望の反射防止特性を得る事が可能となる
また、本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記反射防止手段を形成する工程は、アクリル樹脂を塗布する工程である。
この構成により、低温形成が可能であり、容易に作業性よく塗布膜を形成することが可能となる。

また、本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記半導体基板の裏面を薄型化する工程は鏡面研磨工程を含む。
この構成により、容易に作業性よく薄型化を行うことが可能となる。

また、本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記反射防止手段を形成する工程は、前記半導体基板の裏面に多層膜を形成する工程を含む。
この構成により、多層膜を用いることにより、反射防止効果の向上をはかることができ、より小さな膜厚で十分な反射防止効果をもつ反射防止手段を形成することが可能となる。

また、本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記半導体基板を薄型化する工程は厚さ６２５μｍ以下となるように研磨する工程を含む。
この構成により、反射光の影響を受け易い構造ではあるが、反射防止膜の存在により、長時間露光に対しても誤動作の無い固体撮像素子を提供することが可能となる。

以上説明してきたように、本発明の固体撮像素子によれば、裏面のシリコン基板が露出する撮像素子において、裏面に反射防止膜などの反射防止手段を配設することにより、近赤外光のシリコン基板内部多重反射に起因したフォトダイオードへの電荷生成を抑制し、特に長時間露光撮像時の擬似信号電荷生成を抑えることにより、入射光量に対し忠実な像を出力させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつ説明する。

（第１の実施の形態）
この固体撮像装置は、図１に断面図を示すように、固体撮像素子の形成された素子領域１０２を備えたシリコン基板１０１からなる固体撮像素子基板１００の裏面が研磨加工により厚さ１３０μｍ程度まで薄型化され、鏡面加工がなされるとともに、酸化チタンの超微粒子を含有した塗布膜からなる反射防止膜１０３を形成し、図２に示すように、実装基板２００上に銀ペースト２０１で固着されている。

この構造では、固体撮像素子基板裏面に反射防止膜１０３を形成しているため、入射光Ｉａは、シリコン基板の裏面から反射防止膜１０３に入り、裏面から出射される（Ｉｄ）。従って、長時間露光に際しても、裏面からの反射もなく、擬似信号電荷生成を抑えることにより、入射光量に対し忠実な像を出力させることが可能となる。
ちなみに、従来のように反射防止膜を形成しない場合は図９に示したように固体撮像素子の形成された素子領域１０２に基板裏面での多重反射による光が入り、電荷を生成し、擬似信号を発することになり、ノイズの発生を免れ得なかった。

次にこの固体撮像素子の製造工程について説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、通例の半導体プロセスを用いてシリコン基板表面に固体撮像素子を形成し固体撮像素子領域１０２を形成するとともに、レンズなどの光学系１０４を形成する。

続いて、図３（ｂ）に示すように、表面に表面保護テープ１０５を貼着し、裏面から研磨を行い（バックグラインド）、厚さ５００μｍ程度まで薄型化する。ここでは鏡面研磨により面粗さ＃２０００：Ｒｍａｘ≦０．１３μｍ程度の鏡面を得る。
そして表面保護テープ１０５を剥離し、シリコン屑を洗浄により除去する（図３（ｃ））。

この後平均粒径３０ｎｍ程度の酸化チタンの超微粒子を、ｉ−ブタノールに分散し、分散液を調整し、これを研磨工程により鏡面研磨のなされたシリコン基板１０１裏面に塗布膜を形成し、２２０℃３分の焼成処理を行い、反射防止膜１０３を形成する（図３（ｄ））。
このとき反射防止膜の膜厚は２００ｎｍ、屈折率は１．９程度であった。
このようにして形成した固体撮像素子を、実装基板２００上に銀ペーストを用いて実装したが、長時間露光時においても擬似信号は発生せず入射光量に忠実な像を出力することができた。

なお、使用する波長に対して反射防止膜の膜厚と屈折率を変化させ、波長と膜厚および屈折率との関係を測定した。その結果を図４および図５に示した。
この結果から反射防止膜の屈折率は１．８から２．１程度、膜厚は８０ｎｍから３４０ｎｍ程度が最適であることがわかる。図４からあきらかなように、反射防止膜の屈折率が１．８から２．１程度であるとき波長７００ｎｍから２５００ｎｍの赤外光に対して反射防止効果が高くなっている。また、図５からあきらかなように、膜厚が８０から３４０ｎｍ程度であるとき、波長７００ｎｍから２５００ｎｍの赤外光に対して反射防止効果が高くなっている。

なお、前記実施の形態では、ＴｉＯ_２の超微粒子を用いたが、ＴｉＯ_２に限定されることなく、ＺｒＯ_２など他の材料の超微粒子を分散した塗布材料を用いてもよい。また、アクリル樹脂など所望の屈折率を有する樹脂材料を用いてもよい。
また焼成温度は、レンズなどの光学系の劣化を生じない程度の温度を選択する必要がある。

ここで、シリコンの屈折率をｎ０、空気の屈折率をｎ１、反射防止膜１０３としての塗布膜の屈折率をｎ２とした場合以下の式を満たすように形成するのが望ましい。
ｎ２≧√（ｎ０・ｎ１） （１）
また、塗布膜の屈折率をｎ２とした際の膜厚ｔ_ｎ２は、
ｔ_ｎ２≧λ／（４ｎ２） （２）
上記条件を満たすように形成すればよいが、小型化、薄型化の観点から、理想的には
ｎ２＝√（ｎ０・ｎ１） （３）
また、塗布膜の屈折率をｎ２とした際の最適膜厚ｔ_ｎ２は、
ｔ_ｎ２＝λ／（４ｎ２） （４）
である。
ここでλは、使用波長すなわち反射防止対象波長に相当する波長である。

なお、前記実施の形態では、ウェハを５００μｍ以下に研磨した例について示したが、６００μｍ程度の場合にも有効であることが実験結果からわかった。通常φ８インチのウェハを用いた場合、出発材料としてのシリコンウェハの厚さは７３０μｍ程度であるが、これを６２５μｍまで研磨して用いた場合にも、反射防止膜を形成しない場合は、長時間露光による擬似信号が検出された。１０μｍ程度研磨した場合にも擬似信号が問題となることがあったが、反射防止膜を形成することにより、長時間露光によっても擬似信号などのノイズの発生はなかった。

（第２の実施の形態）
この固体撮像装置は、図６に断面図を示すように、固体撮像素子１０２の形成されたシリコン基板１０１からなる固体撮像素子基板１００裏面のフォトダイオード部に対応する領域に、屈折率の異なる薄膜からなる多層膜１０６（第１層膜１０６ａ、第２層膜１０６ｂ、第３層膜１０６ｃ、・・・第ｎ層膜）を形成したことを特徴とするものである。他部については前記第１の実施の形態と同様に形成されている。

かかる構成によれば、より反射防止性能の高い反射防止膜を形成することが可能となり、長時間露光においても擬似信号の生成を抑制することが可能となる。

（第３の実施の形態）
また、図７に示すように、固体撮像素子基板１００裏面に多層膜で構成された反射防止膜を形成すると共に、さらにこの裏面にタングステン膜からなる遮光性膜１０７で構成してもよい。この場合は、さらに固体撮像素子基板１００裏面からの光を確実に阻止することが可能となり、フォトダイオード部に到達するのを防止することができる。他部については前記第１の実施の形態と同様に形成されている。

また、固体撮像素子基板を実装基板に接合するための銀ペーストに代えて遮光性のエポキシ樹脂で構成し、接地電位は表面に形成したパッドから取り出すようにしてもよい。この構成によっても、反射防止機能のみならず裏面からの光の入射を防止する機能を持たせることができる。

なおこの固体撮像装置は、図８に要部拡大断面図の一例を示すように構成されている。固体撮像素子基板１００は、表面に、固体撮像素子が配列されるとともに、ＲＧＢカラーフィルタ４６およびマイクロレンズ５０が形成されたシリコン基板１０１で構成されている。

この固体撮像素子１００は、ｎ型のシリコン基板１０１ａ表面に形成されたｐウェル１０１ｂ内に、チャンネルストッパ２８を形成し、このチャネルストッパを挟んでフォトダイオード１４と電荷転送部３３とを形成してなるものである。ここでは、ｎ型不純物領域１４ａ内にｐ型不純物領域１４ｂを形成し、フォトダイオード１４を形成している。またこの上層にゲート絶縁膜３０を介して形成された多結晶シリコン層からなる垂直電荷転送電極３２を形成し、電荷転送部３３を構成している。またこの電荷転送部３３に信号電荷を読み出す側のフォトダイオード１４との間には、ｐ型不純物領域で形成された読み出しゲート部２６が形成されている。

一方、電荷転送部３３と他のフォトダイオード１４との間には、ｐ＋型不純物領域からなるチャンネルストッパ２８が存在し、これによりフォトダイオード１４と電荷転送部３３とが電気的に分離されると共に、電荷転送部３３同士も相互に接触しないように分離される。

そして垂直電荷転送電極３２は電荷転送部３３とともに、フォトダイオード１４のｐｎ接合で発生した信号電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）を構成している。垂直電荷転送電極３２の形成された基板表面は表面保護膜３６で被覆されこの上層にタングステンからなる遮光膜が形成されており、フォトダイオードの受光領域４０のみを開口し、他の領域は遮光するように構成されている。

そして更にこの垂直電荷転送電極３２の上層は表面平坦化のための平坦化絶縁膜４３およびこの上層に形成される透光性樹脂膜４４で被覆され、更にこの上層にフィルタ層４６が形成されている。フィルタ層４６は各フォトダイオード１４に対応して、所定のパターンをなすように赤色フィルタ層４６Ｒ、緑色フィルタ層４６Ｇ，青色フィルタ層４６Ｂが順次配列されている。

さらにこの上層は、平坦化絶縁膜４８を介して屈折率１．３〜２．０の感光性樹脂を含む透光性樹脂をフォトリソグラフィによってパターニングした後に溶融させ、表面張力によって丸めた後冷却することによって形成されたマイクロレンズ５０からなるマイクロレンズアレイで被覆されている。３００はスペーサ付き封止用カバーガラスである。

更にまた、固体撮像素子基板の表裏の電気的接続は、スルーホールのみならず、表面および裏面からの不純物拡散により表裏が電気的に接続されるようにコンタクトを形成するようにしてもよい。

さらにまた、裏面研削（バックグラインド）によってシリコン基板を薄くするようにしているため、小型化かつ薄型化をはかることができる。さらにまた、ガラス基板との接合後に薄型化されるため、機械的強度の低下を防ぐことが可能となる。

このように、本発明の構成によれば、ウェハレベルで位置決めし、一括して実装することにより一体化してから、固体撮像素子ごとに分離するようにしているため、製造が容易でかつ信頼性の高い固体撮像装置を形成することが可能となる。

なお、固体撮像素子の実装に際しては、ＣＳＰにより一括接続して、ダイシングするという方法で形成してもよい。

さらに、前記実施の形態では、固体撮像素子について説明したが、固体撮像素子に限定されることなく、光センサなど、光電変換素子を含む他の半導体装置にも適用可能である。

以上説明してきたように、本発明によれば、微細化、薄型化に際しても裏面からの反射光を抑制することができ、長時間露光に際しても、入射光量に対して忠実な像を出力させることが可能となることから、小型で誤動作が少なく、信頼性の高い固体撮像装置を形成することが可能となることから、携帯端末などの小型デバイスへの適用が有効となる。

本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子基板を示す断面図 本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子の実装状態を示す断面説明図 本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子の製造工程を示す断面説明図 本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子における反射防止膜の屈折率と入射波長との関係を示す断面図 本発明の第１の実施の形態の固体撮像素子における反射防止膜の膜厚と入射波長との関係を示す断面図 本発明の第２の実施の形態の固体撮像素子を示す断面図 本発明の第３の実施の形態の固体撮像素子を示す断面図 本発明の実施の形態の固体撮像素子を示す詳細断面図 従来例の固体撮像素子基板を示す図

符号の説明

１００ 固体撮像素子基板
１０１ シリコン基板
１０２ 固体撮像素子
１０３ 反射防止膜
１０４ 光学系
１０５ 表面保護テープ
１０６ 多層膜
１０７ 遮光膜
２００ 実装基板
２０１ 銀ペースト

Claims (15)

1. 裏面が薄型化加工され、光電変換部を具えた半導体基板で構成された固体撮像素子であって、
   前記半導体基板の裏面が反射防止手段を具備した固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子であって、
   前記反射防止手段は、金属酸化物の超微粒子を含有した塗布膜である固体撮像素子。
3. 請求項２に記載の固体撮像素子であって、
   前記反射防止手段は、酸化チタンの超微粒子を含有した塗布膜である固体撮像素子。
4. 請求項１に記載の固体撮像素子であって、
   前記反射防止手段は、アクリル樹脂膜である固体撮像素子。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
   前記反射防止手段は鏡面加工のなされた前記半導体基板の裏面に形成された膜である固体撮像素子。
6. 請求項１に記載の固体撮像素子であって、
   前記反射防止手段は、多層膜である固体撮像素子。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
   前記半導体基板は厚さ６２５μｍ以下である固体撮像素子。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
   前記半導体基板は実装基板に対して、銀ペースト層を介して固着される固体撮像素子。
9. 半導体基板表面に光電変換部を含む素子領域を形成する工程と、
   前記半導体基板の裏面を薄型化する工程と、
   薄型化のなされた前記半導体基板裏面に、反射防止手段を形成する工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
10. 請求項９に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記反射防止手段を形成する工程は、金属酸化物の超微粒子を分散した分散液を塗布する工程を含む固体撮像素子の製造方法。
11. 請求項１０に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記反射防止手段を形成する工程は、酸化チタンの超微粒子を含有した分散液を塗布する工程を含む固体撮像素子の製造方法。
12. 請求項１０に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記反射防止手段を形成する工程は、アクリル樹脂を塗布する工程である固体撮像素子の製造方法。
13. 請求項９乃至１２のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記半導体基板の裏面を薄型化する工程は鏡面研磨工程を含む固体撮像素子の製造方法。
14. 請求項９に記載の固体撮像素子であって、
    前記反射防止手段を形成する工程は、前記半導体基板の裏面に多層膜を形成する工程を含む固体撮像素子の製造方法。
15. 請求項９乃至１４のいずれかに記載の固体撮像素子であって、
    前記半導体基板を薄型化する工程は厚さ６２５μｍ以下となるように研磨する工程を含む固体撮像素子の製造方法。

Images