JP2008503097A - イメージセンサおよびイメージセンサを製造する方法 - Google Patents

イメージセンサおよびイメージセンサを製造する方法 Download PDF

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Abstract

背面照射型イメージセンサ(14)の製造方法を開示する。本発明の方法は、第１および第２の表面(3,4)を有するウェハ(2)から出発し、第１表面(3)からウェハ(2)内に延在する感光性ピクセル領域(5)を設けるステップと、第１表面(3)を保護基板(7)に対向させて保護基板上にウェハ(2)を固定するステップとを具える。ウェハは、第１の材料の基板(8)と、光学透明層(9)と、半導体材料の層(10)とを具える。基板(8)を、光学透明層(9)を停止層として用いて、半導体材料の層から選択的に除去する。背面照射型イメージセンサでは、光は半導体層を透過して感光性ピクセル領域(5)に入射しなければならない。吸収損失を低減するために、半導体層(10)を比較的薄く均一に作製できると非常に有利である。半導体層の厚さを減少させると、感光性領域に入射する光が多くなり、このことがイメージセンサの効率改善につながる。
【選択図】図２

Description

本発明は、
第１および第２の表面を有するウェハから出発し、
前記第１表面からウェハ内へ延在する感光性ピクセル領域を設けるステップと、
前記ウェハを保護基板の上に、前記第１表面を保護基板に対向させて固定するステップと、
を具える背面照射型イメージセンサを製造する方法に関するものである。
さらに、本発明は、第１および第２の表面を有する半導体層を具え、該半導体層は該層の第１の表面から該層内へ延在する感光性ピクセル領域を具え、第１表面が保護基板に対向し、前記半導体層の第２表面が光学透明層を具え、光が該光学透明層を経て前記半導体層内の感光性ピクセル領域へ入射するイメージセンサに関するものである。
米国特許第６１６８９６５号には、半導体基板に製造されるピクセルマトリクス（例えばＣＭＯＳ ＡＰＳピクセル）を含む背面照射型イメージセンサを製造する方法が開示されている。半導体基板は、半導体基板の製造処理された前面を保護基板に向けて保護基板に接着剤で固定する。次に、保護基板で構造的に支持された半導体基板の露出した背面にグラインディングおよび／またはエッチング処理を施し、続いてオプションの化学的／機械的処理を施し、１０〜１５ミクロンの薄さの透明基板にする。次に、透明基板（例えばガラス）を半導体基板の背面に固定し、これによって、半導体基板を透明基板と保護基板との間に挟みこむ。
透明な表面の薄層化は、非常に不均一なプロセスであり、半導体基板の厚さの変化は吸収の差になる。
それゆえ、既知のイメージセンサでは、効率が制限され光吸収の差が特に短波長（青色）では容認できないほど大きいという欠点を有する。
本発明の目的は、効率が改善されるとともに光吸収の差が低減されたイメージセンサを製造する方法を提供することにある。
本発明の目的は、ウェハが第１の材料の基板と光学透明層と半導体材料の層と具え、前記基板を、前記光学透明層を停止層として用いて選択的に除去することにより達成される。
前記基板は、停止層に向かって選択除去技術を用いることにより光学透明層から選択的に除去できる。この種の除去技術は、ウェットエッチングおよび／またはケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）でもよい。停止層の除去速度は、基板材料の除去速度よりもはるかに遅くなければならない。背面照射型イメージセンサであるので、光は半導体層を透過し感光性ピクセル領域に入射しなければならない。したがって、半導体層を比較的薄くできるということは大きな利点である。
半導体層の厚さが減少すると、より多くの光が感光性領域に入射でき、その結果、イメージセンサの効率が改善される。特に短波長の光では、半導体層の厚さを減少することが有利である。
半導体層の厚さおよび均一性を非常に良好に制御できるので、ピクセル（センサ）間の吸収差はかなり減少する。
背面照射型イメージセンサは、従来の前面照射型と比較して、多くの利点がある。従来のイメージセンサでは、ピクセルは、通常金属またはポリシリコン層からなる接続導線によって駆動される。これらの層は光に透明ではないので、入射光は全ピクセル領域には到達できない。コスト削減のためにピクセル領域を減らすという継続的な動きがある。しかし、前面照射型イメージセンサのピクセル領域をさらに減少させると、本質的に、ピクセル領域の感光性領域が相対的に減少する。
背面照射型の本発明では、ポリシリコンまたは金属の接続導線はピクセルの感光性領域を左右することはない。全ピクセル領域は感光性で、１００％の充填率を可能にする。それゆえ、利点は、とりわけ、感度が向上すること、入射光の角度（ＣＲＡ）が大きくできること、接続配線のレイアウトに設計自由度が増すことである。主光線入射角度（ＣＲＡ）が大きくなると、１つのレンズ素子（例えばカメラモジュールのＶＧＡレンズ）を省略できるので、カメラモジュールを小さくできる。これにより、感度が向上し（例えば反射損失の２〜４％の減少）、コストが削減される。また、小型駆動のために重要なモジュールの高さも小さくなる。変調伝達関数（ＭＴＦ）とＦナンバーとのトレードオフのため、背面照射でＭＴＦとＦナンバーを改善できる程度は交換可能である（ＭＴＦは鮮明度およびコントラストの尺度であり、Ｆナンバーはレンズの開口（diafragma）の尺度である）。
前記光学透明層はシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハの埋込酸化物層とすると有利である。ＳＯＩウェハの埋込酸化物を、シリコン基板の除去の間、エッチング停止層として使用できる。今日では、市販のＳＯＩウェハは、１００ナノメートルのオーダーの厚みを有するエピタキシャル半導体層を有する。基板の除去の後、残存するエピタキシャル半導体層は、最初の厚さと変わらず、非常に均一である。アモルファス半導体層及びエピタキシャル半導体層のために、厚さおよび均一性を数ナノメートル以内に制御できる。
全プロセス中に薄いエピタキシャル半導体表面が埋込酸化物層により保護され続けることは、もう１つの大きな利点である。半導体の表面に処理による不純物が付着せず、いかなる欠陥もダングリングボンドも界面電荷もないほぼ完全なシリコン/酸化物界面が得られる。
ＳＯＩウェハは、シリコンオンインシュレータ基板である。シリコンは歪んでいてもよい。本発明は、Ｇｅオンインシュレータ（ＧｅＯＩ）ウェハ、ＳｉＧｅあるいはＳｉＧｅＣのようなＳｉＧｅの化合物オンインシュレータウェハにも等しく良好に使える。シリコン以外の半導体オンインシュレータウェハはいまだに入手困難で非常に高価であるが、ＳＯＩウェハは一般に入手可能なので、ＳＯＩウェハを使用すると有利である。
市販のＳＯＩウェハは、通常１００ナノメートルオーダーの厚さのエピタキシャル半導体層を有する。半導体層の厚さが５μm未満、好ましくは１〜３μｍの範囲のとき、半導体層内の感光性領域の光吸収は最適である。それゆえ、半導体材料の層の上に追加の半導体層をエピタキシャル成長させ、半導体層の全体の厚さを５ミクロン未満にすることが望ましい。
イメージセンサが背面照射型であるので、色フィルタを光学透明層上に設けることができる。色フィルタ層はスピンコートし、露光後に現像できる。（ＲＧＢ）フィルタの色領域（例えば、赤色、緑色、青色）は順に製造される。４００〜７００ナノメートルの範囲内の波長の光がフィルタ処理され、フィルタを通過した各波長が異なる感光性ピクセル領域に集められる。
上述した利点とは別に、リフレクタとして金属層を用いることによりセンサの効率を改善できるという他の利点がある。光を感光性ピクセル領域へ方向を変えるためのリフレクタとして働く特別な配線パターンを設計してもよい。これは、半導体層が可視光線の総吸収深度よりはるかに小さいときに、特に適切である。この場合、背面から入射した光は、配線パターンで反射され感光性ピクセル領域に入射する。
多層配線の異なる金属層を、異なる色の光のためのリフレクタとして使うことができる。かくして、異なる色の光は異なる感光性ピクセル領域へと反射される。
感光性ピクセル領域を有する半導体エピタキシャル層の感光性領域を半導体エピタキシャル層の残部から電気的に絶縁するために、特別な処置を講ずる。この目的ために、配線パターンに、イメージセンサと外部を接続するための特別に設計されたボンディングパッド延長部を設ける。
イメージセンサの外部接続は、前面あるいは背面のいずれの側からも接続できる。外部接続を、保護層と半導体層を貫通する開口部を経て背面側から行う場合、半導体層が開口部の位置で除去される利点がある。半導体層の開口部は、異なるダイ間の電気的な分離として働く。背面（光の入射側）から電気的に接続するその他の利点は、例えばワイヤボンディングまたはフリップチップ技術により、ダイを他の基板またはＩＣに容易に接続できることである。ボンディングパッド延長部に設置された導電性のスタッドを開口部内に設けることができる。このようなスタッドはスタッドバンピングプロセスに有利に使用することができる。
外部接続を前面側から行う場合には、背面側から入射する光を妨げる金属接触がないという利点がある。この場合には、異なるダイ間を電気的に分離するために特別な対策をとらなければならない。これは、以下の実施例で説明する。
垂直投影で見て、ボンディングパッド延長部と重なる半導体層の第１部分を、感光性ピクセル領域を有する半導体層の第２部分から電気的に絶縁する。
半導体層の第１部分と第２部分との絶縁は、半導体層を貫通するトレンチによって形成する。トレンチは電気絶縁材料で装填する。
また、半導体層の第１部分と第２部分との絶縁は、接合分離によって形成してもよい。
代替実施例では、ボンディングパッド延長部の下方の半導体層の第１部分は、例えばエッチングによって除去する。
製造プロセス中プレーナ表面をできるだけ長く保つために、半導体エピタキシャル層の第１部分は、プロセスの後半で、色フィルタの製造後に除去する。色フィルタはフォトレジストから作られるので、これらの層を、ボンディングパッド延長部の下方の半導体層の第１部分をエッチングするためのエッチングマスクとして使うこともできる。
色フィルタの製造処理をプレーナ表面上で行うことができるので、厚さの変化を回避でき、その結果としてイメージセンサの可視像におけるフリンジ効果を回避できる。
本発明の方法に係るその他の有利な実施例では、ボンディングパッド延長部の下方のシリコンの除去は、色フィルタおよびマイクロレンズの製作後に行うこともできる。色フィルタおよびマイクロレンズを堆積させた後に、プラズマ窒化物層のようなハードエッチングマスク層をマイクロレンズ上に堆積させる。
このようにして、「ギャップレスマイクロレンズ」を形成する。マイクロレンズ32の上にこの追加層33があると、マイクロレンズの領域とピクセル領域とが同一になるのでこれらのレンズ間に間隔がなくなる。
イメージセンサ領域を半導体層の残部から電気的に絶縁するために、ハードエッチングマスクを用いて、ボンディングパッド延長部の下方の半導体層の第１部分をエッチングする。
本発明のその他の目的は、効率が改善され、吸収差が低減されたイメージセンサを提供することにある。
本発明のこの目的は、半導体層に吸収されない光の一部を配線パターンの反射によって感光性ピクセル領域へ向け直すことにより達成される。これは、半導体層の厚さが可視光線の総吸収深度よりはるかに小さいときに、特に適切である。損失を減らすために、感光性領域に対向する金属層によって、半導体層に吸収されていない光を反射させ、光を感光性ピクセル領域へ向け直す。
配線パターンを多層配線パターンとし、異なる色の光を異なる感光性ピクセル領域の方へ反射させることが好ましい。
イメージセンサの効率は、金属層がリフレクタとして働く多層配線を用いて増大できる。
有利な実施例において、イメージセンサは、半導体層の第１表面上に設けられた配線パターンを具える。配線パターンは、ボンディングパッド延長部を具えることができる。外部接続は、背面側（光が入射する側）から、半導体層と保護層を貫通する開口部を経てボンディングパッド延長部と接続することによって構成する。背面側からの電気接続は、ダイを他の基板またはＩＣに例えばワイヤボンディングまたはフリップチップ技術によって容易に接続できるので、有利である。ボンディングパッド延長部に設置された導電性スタッドあるいはワイヤボンドを開口部内に設けることができる。このようなスタッドはスタッドバンピングプロセスに有利に使用することができる。
本発明を実現する方法は、添付図面を参照して本明細書中に記載されている。本発明の精神から逸脱することなく、多数の変更および修正が可能なことは明らかである。それゆえ、本発明の実施例は説明のためだけであり、特許請求の範囲を制限する目的でないことを明確に理解されたい。
本発明の特徴は、例として本発明の好適実施例を示す添付図面を参照することでよりよく理解される。
本発明は、特定の実施例に関して特定の図面を参照して説明されるが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲のみにより限定される。添付図面は単なる概略図であり本発明を制限するものではない。説明の便宜上、図中の要素の寸法は拡大され、一定の比率で描かれていない点に留意されたい。
明細書および特許請求の範囲の中で用いている、上部、下部、上方、下方などの用語は説明のためであり、必ずしも相対位置を説明するためではない。このような用語は状況に合わせて交換可能であり、本明細書に記載されている本発明の実施例は記載され図示されている向きとは別の向きでも動作可能であるということを理解されたい。
出発原料は、シリコン基板8および厚みが４００ナノメートルの埋込酸化物9（ＢＯＸ）を有するシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ2である。
エピタキシャル半導体層10は、１０１５at/cm3の典型的ドーピング濃度（抵抗率１０Ohm.cm）を有するｐ型半導体であり、１００ナノメートルの厚さを有する。
図１は、ＳＯＩウェハ2上のイメージセンサ1の製造方法を示す。第１ステップにおいて、ＳＯＩウェハのエピタキシャル半導体層10の上に、シリコン層11を１〜３ミクロンの範囲内の全厚にエピタキシャル成長させる。イメージセンサとして使用するために、二次元配列の感光性素子5（ダイオードまたはトランジスタ）を、イメージセンサに適するＣＭＯＳプロセスで製造する。プロセスの後の工程でイメージセンシング領域と外部ボンドパッドとを接続するために、配線パターンに特別なボンディングパッド延長部16を作製する。ガラスプレートの形態の保護基板7を、ウェハの第１表面3の上に接着層24で固定する。
図２において、ＳＯＩウェハの基板8を、グラインディングおよびその次のＫＯＨ溶液中のエッチングによって除去する。ＫＯＨ溶液中におけるシリコンのエッチング速度（典型的には０．７５マイクロメートル／分）は、酸化シリコンのエッチング速度（典型的には１ナノメートル／分）よりはるかに速い。100の選択性が容易に得られる。
埋込酸化物層9はエッチング停止層として働く。ＣＭＯＳイメージセンサに面している保護基板7は、半導体層がエッチングされるのを防止する。
シリコン基板8は、ＨＦ／ＨＮＯ３混合溶液およびその次のＫＯＨ溶液のウェットエッチングによっても、除去可能である。
感光性ピクセル領域（第１部分20）を具える半導体層と、半導体層の残部（第２部分21）との間を絶縁するために、半導体層の第２部分21を除去する。
このために、図３には、図２の全構造を上下逆に示す。
図３Ａにおいて、レジストマスク22をイメージセンシング部20の上に設ける。このレジストマスクを用いて、イメージセンシング部の外側部分21、すなわち、ボンディングパッド延長部16の上方の埋込酸化物9（ＢＯＸ）およびＳｉエピタキシャル上層10をエッチングする（図３Ｂ参照）。この図には示していないが、Ｓｉエピタキシャル層10は（ボンディングパッド延長部からＢＧＡボールへの接続を構成する）リードの上方およびボンドパッドの上方でも除去する。その後、レジストマスク22を除去する。
代案として、埋込酸化物9はレジストマスクを使用してエッチングし、シリコンエピタキシャル層10は酸化物ハードマスクを使用してエッチングすることもできる。
図４において、埋込酸化物9（ＢＯＸ）に、色フィルタ12およびマイクロレンズ（図示せず）を設ける。色フィルタおよびマイクロレンズは感光性レジスト層であり、これはフォトグラフィック技術で設けることができる。ピクセル5に対する色領域23のアライメントのために、標準ＣＭＯＳプロセスと同じアライメントマークが使用できる。これらのアライメントマークは、シリコンエピタキシャル層にエッチングされたパターンである。エピタキシャル層の厚さが１〜３μｍなので、マークはステッパーによって容易に検出可能である。背面からウェハを露光するために、標準のアライメントマークの鏡像となる特別なマークが必要である。
図５において、第２のガラスプレート25を色フィルタ12およびマイクロレンズの上に第２の接着層26で固定する。
図６において、柔軟層27を設ける。
図７において、ウェハを切り欠く。切欠28は上部の接着層26で終端する。
図８において、金属リード29およびソルダーマスクを設ける。ＢＧＡボール30を作製する。
図６〜８に示すプロセスは、WO95/19645で開示されているウエハレベルパッケージプロセスに記載されている。
図７Ａ，Ｂ−８Ａに示される代替実施例では、ボンディングパッド延長部は、背面側から接続する。
第２のガラスプレート25（典型的な厚さ４００μｍを有する）をソーイングしてボンディングパッド延長部16の真上に開口部50を形成する。ソーイングによるウェハの平面度及びトレランスではソーイングをボンディングパッド延長部の金属層で正確に止めるのは非常に困難である（図７Ａ参照）。したがって、ソーイング処理は、開口部50の終端とボンディングパッド延長部16との間にわずか数ミクロンを残して止めてもよい（図７Ｂ参照）。
その後、残りの数ミクロンのガラスを除去する。ドライエッチング技術、例えばフッ素含有ガスを用いることが好ましい。ワイヤボンディングには、半導体層10に最も近いボンディングパッドを用いるのが好ましい。半導体層に最も近いこれらのボンディングパッドは、ワイヤボンディング51に適する厚い金属層から形成する（図８Ａ参照）。
開口部50内に、例えばＣｕのスタッドをスタッドバンプのために設置することができる。この種のスタッドは、薄い金属層に設置できるので、ボンディングパッドの各レベルに設置することができる。スタッドは、フリップチップのようなスタッドバンププロセスにおいて、容易に外部と接続できるように、第２のガラスプレート25の表面に突出させるのが好ましい。
この代替実施例（図７Ａ、Ｂ−図８Ａ）では、電気的接続は、光が入射する背面側から設ける。これは、はんだボールを用いて反対側から接続する図７−図８の実施例と逆である。イメージセンサのマウントプロセスでは、半導体の活性領域が位置する側からワイヤボンディングまたはスタッドバンピングを行えることは重要である。例えば、コンパニオンダイと共にダイ−ダイボンディングを行う場合、あるいは、I2MCのようなボンディングプロセスを使用する場合である。ダイをフリップチップ技術を用いてフレキシブル基板の背面に実装するモジュールもある。この場合、スタッドバンプを、半導体の活性領域が位置するのと同じ側に設けなければならない。
ＣＭＯＳプロセスの後工程でのイメージセンサの分離のために、ＣＭＯＳプロセスの前工程として、特別な処置を予め行う必要がある。
米国特許第６１７７２９５号に記載されている方法では、イメージセンサの周囲の半導体層部分21を最初に除去することで、イメージセンサを分離できる。
しかしこの方法はＣＭＯＳイメージセンサの製造に適していない。イメージセンサの良好な性能のために、シリコン上層10の厚さは１〜３ミクロンである（これに反し米国特許第６１７７２９５号では１００ナノメートルである）。イメージセンサの周囲の半導体層部分を除去すると、１〜３ミクロンのトポグラフィ（でこぼこ形状）が発生する。
このトポグラフィは、プロセスの後の工程で問題を引き起こしうる。先端ＣＭＯＳプロセスでは、サブミクロンのデバイスを数ミクロンのトポグラフィを有するウェハ上に製造することは不可能である。
本発明による方法では、プロセスの後の段階でボンディングパッド延長部の下方のシリコン部分21をエッチングする。シリコン部分21のエッチングをプロセスの後半へ移動させることによる主な利点は、先端ディープサブミクロンＣＭＯＳプロセスをウェハのプレーナ表面上で実行できることにある。
色フィルタの製作前に、ボンディングパッド延長部の下方のシリコンのエッチングを行う図３Ａおよび３Ｂに示す方法の代案として、色フィルタの製作後に、ボンディングパッド延長部16の下のシリコン21を除去できる。酸化物層9およびその次のシリコンエピタキシャル層10をエッチングするためのエッチングマスクとして透明レジスト層31を用いる。
図９および１０はこの第２の実施例を示す。
色フィルタ12をプレーナ表面上で製造できることは非常に有利である。色フィルタ層のスピンコーティングおよび次の現像によって色領域23を作製する。異なる色領域23を順に作製し、ピクセル5の上方に整列配置する。
図１１および１２は可視光線に対する色フィルタの性能を示す。
青色、緑色および赤色の透過率はそれぞれ約８０％、８０％および９０％以上である。このＲＧＢフィルタは、携帯電話およびウェブカメラに応用される。
シアン色、マゼンタ色および黄色の透過率はそれぞれ約８０％、９０％および９５％である。このＣＭＹフィルタは、ビデオアプリケーションに応用される。
色フィルタはフォトレジストから作られるので、これらの層をエッチングマスクとして用いて、ボンディングパッド延長部の下方のシリコン上層をエッチングできる。カラープロセスの第１層は透明層31であり、この透明層31を露光し現像してボンディングパッド延長部の領域で開口させる。色フィルタ層およびマイクロレンズはボンディングパッド延長部の位置で開口されるので、カラー／マイクロレンズのサンドイッチ体をエッチングマスクとして用いてＢＯＸ酸化物9およびエピタキシャル層10をエッチングできる。
図１３〜１６は、色フィルタおよびマイクロレンズ32の作製後に、ボンディングパッド延長部の下方のシリコンを除去できる方法の有利な第３実施例を示す。
この実施例は、「ギャップレス」マイクロレンズという利点がある。色フィルタ12およびマイクロレンズ32を堆積した後、プラズマ窒化物層33を堆積する（図１３参照）。このようにして、図14に示すように、「ギャップレスマイクロレンズ」を形成する。この追加の層33のないレンズではレンズ間に間隔があるので、マイクロレンズの表面はピクセル表面より小さく、光の一部は入射できない。マイクロレンズ32の上にこの追加の層33があると、間隔がなくなってマイクロレンズの領域とピクセル領域が同じになる。
その後フォトレジスト34を設ける。ボンディングパッド延長部16の上方のレジストを露光し現像する。プラズマ窒素化合物33、ＢＯＸ酸化物9およびシリコンエピタキシャル層10をエッチングする（図１５参照）。プラズマ窒化物層の上のレジスト層34は、プラズマ含有酸素のストリップ処理によって、プラズマ窒素化合物から選択的に除去できる（図１６参照）。代案として、この透明なレジストはそこに残ってもよい。
第２実施例と比較して、第３実施例の利点は以下のとおりである。
色フィルタ層12およびマイクロレンズ層32は、プラズマ窒化物層33およびレジスト層34によって、エッチングステップから保護される。
より大きなマイクロレンズ領域を有するギャップレスマイクロレンズ32が得られる。
上述した窒化物層33の代わりに、Ａｌのようなその他の材料を使うこともできる。Ａｌのさらなる利点は、Ａｌが遮光体としても働くことができるということである。
第４および第５実施例では、ボンディングパッド延長部16の下方のシリコン21を除去せずに、イメージセンシング領域から電気的に絶縁する。
これは、
リードの下方の半導体層に形成されたｎ型注入領域35（第４実施例）または
ボンディングパッド延長部を囲む閉ループとして構成され、酸化物で満されたトレンチ40（第５実施例）
によって、実現できる。
第４実施例では、感光性ピクセル領域20を設ける半導体エピタキシャル層を、リード29を配置する半導体層の残部21から電気的に絶縁する。
この電気絶縁は、ｎ型注入によって得られる。レジストマスクを用いて、後の工程でリード29とボンディングパッド延長部16とを接続する領域35においてエピタキシャル上層に注入を行う（図１７の上面図参照）。ｎ形（Ｐ、Ａｓ）注入37は、レジストマスク38を通して高エネルギー（メガ電子ボルト範囲）で行う。酸化物層39は表面を保護する（図２０参照）。エピタキシャル層の全厚に亘りドーピングするために、レジスト層38の除去の後、高温のアニーリングを行う（図２１参照）。
後の処理において、金属リード29をｎ型Ｓｉ35と接触させるので、金属リード２９はｐ型半導体層36から電気的に絶縁される（ノッチ28に平行な線Ｂ−Ｂ’の断面図である図１８およびノッチ28に垂直な線Ａ−Ａ’の断面図参照）
この方法の大きな利点は、トポグラフィがウェハに導入されないということである。
第５実施例では、リードが接触するシリコン層部分を、ボンディングパッド延長部16を囲むループ40によって、感光性ピクセル領域を有する半導体層部分から電気的に絶縁する（図２２〜２４参照）。ループは、酸化シリコンのような電気絶縁材料を充填されるエッチングトレンチ41により形成される（図２５〜２８参照）。トレンチに酸化物を充填した後、平坦化ステップを行う。代案として、トレンチに薄層（熱）酸化物およびポリシリコンを充填してもよい。ポリシリコンはＣＶＤプロセスで設けてもよい。
絶縁ループを作製するいくつかの方法がある。最も簡潔な方法の１つは、このステップを従来のＣＭＯＳプロセスのシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ：shallow trench isolation）の製造ステップと結合することである。
ＳＴＩプロセスの場合と同様に、酸化物42および窒化物ハードマスク43を使用してトレンチをエッチングし、酸化物44をトレンチに充填し、平坦化する。
しかし、これらのＳＴＩトレンチは、絶縁するのに十分に深くない。エピタキシャル層（３〜５ミクロン）の全厚さを貫通するトレンチをエッチングするために追加のトレンチエッチングを行う必要がある。埋込酸化物層（ＢＯＸ）はエッチング停止層として働く。図２５および２６は、シャロートレンチ46および追加のディープトレンチ41のエッチングをそれぞれ示す。絶縁体を充填し、平坦化するステップは、標準のＳＴＩプロセスに結合できる。
この目的ために、ギャップ充填材料44を堆積する（図２７参照）。好ましくは、ディープトレンチ41の幅は、良好な平坦化を得るためにトレンチに堆積する酸化物44の厚みの２倍未満である。その後、ケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）によって、ウェハを平坦化する（図２８参照）。代案として、トレンチに、薄層（熱）酸化物およびポリシリコンを充填してもよい。ポリシリコンはＣＶＤプロセスで設けてもよい。
この第５実施例は、追加のマスクステップが１つのみであり、そのプロセスで導入されるトポグラフィはないという利点がある。
イメージセンシング部のピクセルを、ディープトレンチ41によって互いに分離できる。これを図２９に示す。光は、色フィルタ23を通過して、ピクセルの感光性領域5に入射する。フィルタを通過した光は、ｐｎ接合の空乏層で発生する電流に変わる。ｐｎ接合の空乏層は、ＢＯＸとエピタキシャル層との界面またはディープトレンチの側壁に接触することが可能である。
空乏層はエピタキシャル層のバルク内に位置することも可能である。
ピクセル絶縁のためのディープトレンチは、イメージセンサ部20をエピタキシャル層21の残部から電気絶縁するためのディープトレンチと同時に製造できる。
更なる有利な実施例では、プロセスのこの段階で、ディープトレンチに絶縁体を充填しない。トレンチは、色フィルタプロセスのための平坦化層（第２実施例の透明なレジスト層）を設ける次のステップで充填する。この方法の利点は、前工程が変更されず、色フィルタプロセスのレジスト変更が少ない点にある。
これらのディープトレンチのさらなる利点は、アライメントマークとしてディープトレンチを使用できるということである。これらのマークを用いて、感光性ピクセル領域上の色フィルタおよびマイクロレンズを整列配置する。トレンチが全エピタキシャル層を貫通するので、プロセスのこの段階においてこれらのトレンチをステッパで良好に検出できる。
背面照射型イメージセンサでは、光は半導体層10の背面14から入射する。この光は、感光性ピクセル領域5を形成する接合の空乏層領域へ入射する前に、半導体層10を透過しなければならない。
空乏層領域に入射前の可視光線の、半導体層での吸収はゼロに低減できる。この特定の場合には、接合の空乏層領域が光学透明層に接触する。
半導体層厚が可視光線の総吸収深度よりはるかに小さいときに、一定量の光が半導体層を透過する。
この光は、リフレクタとして機能する配線パターン13で反射しうる。
このために、特別な配線パターンを、ＣＭＯＳ配線パターンに設計する。
配線パターン13は、光を感光性ピクセル領域5へ向け直すためのリフレクタとして働くように構成する。損失を減らすために、感光性領域に対向する金属層によって、半導体層内で吸収されない光を反射して、感光性ピクセル領域へ向け直す。
イメージセンサの効率は、金属層がリフレクタとして機能する多層配線を用いて増加できる。図３０は、異なる金属層を選択することによって２つの異なる波長に対して最適化された２つのイメージセンサピクセルを示す。
本発明は、ウェブカメラおよび携帯電話カメラのようなＣＭＯＳイメージングアプリケーション分野、ＰＤＡ（パーソナル携帯情報端末）およびＤＳＣ（デジタルスチルカメラ）に適用可能である。
本発明の一実施例に係るＣＭＯＳイメージセンサの概略図であり、保護基板がウェハの第１表面に接着される。 エッチング停止層として埋込酸化物層（ＢＯＸ）を使用して基板を除去することを示す。 ボンディングパッド延長部の位置で、ＢＯＸ酸化物およびＳｉエピタキシャル上層をエッチングする一工程を示す。 ボンディングパッド延長部の位置で、ＢＯＸ酸化物およびＳｉエピタキシャル上層をエッチングする次の工程を示す。 色フィルタおよびマイクロレンズを埋込酸化物層（ＢＯＸ）の上に設けることを示す。 第２のガラスプレートを色フィルタおよびマイクロレンズの上に接着することを示す。 ボンディングパッド延長部からＢＧＡボールへの接続を形成する実施例の一工程を示す。 ボンディングパッド延長部からＢＧＡボールへの接続が形成する実施例の次の工程を示す。 背面側からボンディングパッド延長部を外部接続する他の実施例の一工程を示す。 背面側からボンディングパッド延長部を外部接続する他の実施例の次の工程を示す。 ボンディングパッド延長部からＢＧＡボールへの接続を形成する実施例の次の工程を示す。 背面側からボンディングパッド延長部を外部接続する他の実施例の次の工程を示す。 第２実施例において、色フィルタの製作後にボンディングパッド延長部の下方のシリコンを除去する一工程を示す。 第２実施例において、色フィルタの製作後にボンディングパッド延長部の下方のシリコンを除去する次の工程を示す。 ＲＧＢ色フィルタの透過率を示す。 ＣＭＹ色フィルタの透過率を示す。 第３実施例において、色フィルタおよびマイクロレンズの製造後にボンディングパッド延長部の下方のシリコンを除去する一工程を示す。 図１３の一部の拡大図を示す。 第３実施例において、色フィルタおよびマイクロレンズの製造後にボンディングパッド延長部の下方のシリコンを除去する次の工程を示す。 第３実施例において、色フィルタおよびマイクロレンズの製造後にボンディングパッド延長部の下方のシリコンを除去する次の工程を示す。 第４実施例において、ボンディングパッド延長部の下方のシリコンを、リードの下方の半導体層内へのｎ型注入によって、イメージセンシング領域から電気的に絶縁することを示す平面図である。 図１８のＢ−Ｂ’線上の断面図である。 図１８のＡ−Ａ’線上の断面図である。 第４実施例において、ボンディングパッド延長部の下方のシリコンを、リードの下方の半導体層へのｎ型注入によって、イメージセンシング領域から電気的に絶縁する一工程を示す。 第４実施例において、ボンディングパッド延長部の下方のシリコンを、リードの下方の半導体層へのｎ型注入によって、イメージセンシング領域から電気的に絶縁する次の工程を示す。 第５実施例において、ボンディングパッド延長部の下方のシリコンを、ボンディングパッド延長部を囲む閉ループとして構成され、酸化物を充填されるディープトレンチによって、イメージセンシング領域から電気的に絶縁することを示す平面図である。 図２２のＢ−Ｂ’線上の断面図である。 図２２のＡ−Ａ’線上の断面図である。 第５実施例において、ボンディングパッド延長部の下方のシリコンを、ボンディングパッド延長部を囲む閉ループとして構成され、酸化物を充填されるディープトレンチによって、イメージセンシング領域から電気的に絶縁する一工程を示す。 第５実施例において、ボンディングパッド延長部の下方のシリコンを、ボンディングパッド延長部を囲む閉ループとして構成され、酸化物を充填されるディープトレンチによって、イメージセンシング領域から電気的に絶縁する次の工程を示す。 第５実施例において、ボンディングパッド延長部の下方のシリコンを、ボンディングパッド延長部を囲む閉ループとして構成され、酸化物を充填されるディープトレンチによって、イメージセンシング領域から電気的に絶縁する次の工程を示す。 第５実施例において、ボンディングパッド延長部の下方のシリコンを、ボンディングパッド延長部を囲む閉ループとして構成され、酸化物を充填されるディープトレンチによって、イメージセンシング領域から電気的に絶縁する次の工程を示す。 ピクセルをディープトレンチにより分離することを示す。 第６実施例における、異なる金属層を選択することによって２つの異なる波長に対して最適化された２つのセンサピクセルを示し、この実施例では上層の異なる金属層をリフレクタとして使うことで、異なる色が異なる位置で吸収されるようになる。

Claims (18)

  1. 第１および第２の表面を有するウェハから出発し、
    第１表面からウェハ内に延在する感光性ピクセル領域を設けるステップと、
    前記ウェハを保護基板上に、第１表面を保護基板に対向させて固定するステップと、
    を具える背面照射型イメージセンサを製造する方法において、
    前記ウェハは、第１の材料の基板と、光学透明層と、半導体材料の層とを具え、
    前記光学透明層を停止層として用いて、前記第１の材料の基板を前記半導体材料の層から選択的に除去することを特徴とする背面照射型イメージセンサの製造方法。
  2. 前記光学透明層がＳＯＩウェハの埋込酸化物層であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 追加の半導体層を前記半導体材料の層の上にエピタキシャル成長し、該半導体層の全厚が５ミクロン未満であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 色フィルタを前記光学透明層の上に設けることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
  5. 前記ウェハを前記保護基板の上に固定する前に配線パターンを前記ウェハの第１表面に設け、前記配線パターンが、背面側から入射する光が前記配線パターンで反射され、前記感光性ピクセル領域へ入射するように設計されていることを特徴とする請求項１〜３に記載の方法。
  6. 前記配線パターンが多層配線であり、異なる色が異なる感光性ピクセル領域で吸収されるように、前記多層配線がリフレクタとして働くことを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 前記ウェハを前記保護基板の上に固定する前に配線パターンを前記ウェハの第１表面に設け、外部電気接続を行うために、背面から前記配線パターンに達する開口部を形成することを特徴とする請求項１〜３に記載の方法。
  8. 導電性のスタッドあるいはワイヤボンドを前記開口部内に形成することを特徴とする請求項７に記載の方法。
  9. 前記配線パターンがボンディングパッド延長部を含み、垂直投影で見て前記ボンディングパッド延長部と重なる前記半導体層の第１部分を、前記感光性ピクセル領域を有する前記半導体層の第２部分から電気的に絶縁することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
  10. 前記半導体層の第１部分と第２部分との絶縁は、前記半導体層を貫通するトレンチ分離でなすことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
  11. 前記半導体層の第１部分と第２部分との絶縁は、接合分離でなすことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
  12. 前記半導体層の第１部分を、色フィルタの製造後に除去することを特徴とする請求項９に記載の方法。
  13. 前記半導体層の第１部分を、マイクロレンズの製造後に除去することを特徴とする請求項９または１１に記載の方法。
  14. 第１および第２の表面を有する半導体層を具え、該半導体層が該層の第１の表面から層内へ延在する感光性ピクセル領域を具え、前記半導体層の第２表面が光学透明層を具え、光が該光学透明層を経て前記半導体層内の感光性ピクセル領域へ入射し、前記半導体層の第１表面が保護基板に対向配置されているイメージセンサにおいて、前記光学透明層と直接接触させた色フィルタを具えることを特徴とするイメージセンサ。
  15. 前記半導体層に吸収されない光の一部を配線パターンでの反射によって前記感光性ピクセル領域へ向け直すことを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサ。
  16. 前記配線パターンが多層配線パターンであり、異なる色の光が異なるレベルの金属パターンで異なる感光性ピクセル領域へ向け反射されることを特徴とする請求項１５に記載のイメージセンサ。
  17. 前記半導体層の第１表面に設けられる配線パターンが、前記半導体層および前記保護層を貫通する開口部を経て外部と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサ。
  18. 前記開口部内に導電性のスタッドまたはワイヤボンドが形成されていることを特徴とする請求項１７に記載のイメージセンサ。
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