JP2010153428A

JP2010153428A - 光電変換装置及びその製造方法

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Publication number: JP2010153428A
Application number: JP2008327142A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Takechi; 吉正武市
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; System Solutions Co Ltd
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2010-07-08

Abstract

【課題】可視光領域に感度を有する光電変換素子と赤外光領域に感度を有する光電変換素子とを混載させた光電変換装置を提供する。
【解決手段】半導体基板２の一面に複数の光電変換素子Ｂ，Ｃを形成する第１工程と、複数の光電変換素子Ｂを覆うように可視光領域の少なくとも一部の波長領域の光を遮蔽するカラーフィルタ１０を形成する第２工程と、半導体基板２の一面側に支持基体１６を接着する第３工程と、光電変換素子Ｂを覆い、光電変換素子Ｃを覆わないように、赤外光領域の光を遮蔽する赤外カットフィルタ１８を支持基体１６上に形成する第４工程と、を含む製造方法により光電変換装置を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換装置及びその製造方法に関する。

半導体集積装置の高機能化、低価格化に対する強い要求を背景として、半導体集積装置へのフォトダイオードの混載や小型・低背のチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）の採用が進んでいる。

複数の光電変換素子を搭載した半導体集積装置へのＣＳＰ技術をベースとした光学フィルタの適用技術によって、例えば、人間の視感度とほぼ同等の分光感度をもつ光電変換装置が実現される（特許文献１等）。

特開２００８−９８５１６号公報

ところで、ＣＳＰ技術を適用した光電変換装置をさらに発展させ、同一のＣＳＰ構造内に可視光の波長領域に感度を有する視感度光電変換素子と赤外光の波長領域に感度を有する赤外光電変換素子とを混載させることが必要とされている。

例えば、携帯機器の応用では、周囲光に応じた輝度調整を行うために視感度の波長領域に感度を有する視感度光電変換装置や、人体との近接を検知し、輝度調整を行うために赤外光の波長領域に感度を有する赤外光電変換装置が必要とされている。

特に、携帯電話等の携帯電気機器に搭載される光電変換装置は小型化、低価格化を要求されており、ＣＳＰ構造等の小型化、低価格化を実現することも必要とされている。

本発明は、上記課題を鑑み、可視光領域に感度を有する光電変換素子と赤外光領域に感度を有する光電変換素子とを混載させた光電変換装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの態様は、半導体基板の一面に複数の光電変換素子を形成する第１工程と、前記複数の光電変換素子の少なくとも一部を覆うように可視光領域の少なくとも一部の波長領域の光を遮蔽するカラーフィルタを形成する第２工程と、前記半導体基板の前記一面側に支持基体を接着する第３工程と、前記複数の光電変換素子の少なくとも一部を覆い、前記複数の光電変換素子の少なくとも一部を覆わないように、赤外光領域の光を遮蔽する赤外カットフィルタを前記支持基体上に形成する第４工程と、を備える光電変換装置の製造方法である。

ここで、前記第４工程は、前記カラーフィルタで覆われている光電変換素子を覆い、前記カラーフィルタで覆われていない光電変換素子を覆わないように前記赤外カットフィルタを形成することが好適である。

また、前記第２工程は、前記複数の光電変換素子の少なくとも一部を覆うように可視光領域の第１波長領域の光を遮蔽する第１カラーフィルタを形成し、前記第１カラーフィルタで覆われた前記光電変換素子の少なくとも一部を覆うように可視光領域の前記第１波長領域とは異なる第２波長領域の光を遮蔽する第２カラーフィルタを形成し、前記第４工程は、前記第１カラーフィルタ及び前記第２カラーフィルタにより覆われた前記光電変換素子以外を覆い、前記第１カラーフィルタ及び前記第２カラーフィルタにより覆われた前記光電変換素子を覆わないように前記赤外カットフィルタを形成することも好適である。

また、前記第４工程は、前記複数の光電変換素子を覆うように赤外カットフィルタを形成する工程と、前記赤外カットフィルタの一部を除去する工程と、を含むことが好適である。

また、前記第１工程は、前記半導体基板の一面に第１の導電型と第２の導電型の界面を有し、前記赤外カットフィルタで覆われない前記光電変換素子と前記赤外カットフィルタで覆われる前記光電変換素子とからなり、前記半導体基板の一面からの前記赤外カットフィルタで覆われない前記光電変換素子の前記界面の深さが、前記赤外カットフィルタで覆われる前記光電変換素子の前記界面の深さに比べ、深くなるように形成する

また、本発明の別の態様は、一面に複数の光電変換素子が形成された半導体基板と、前記複数の光電変換素子の少なくとも一部を覆うように形成された可視光領域の少なくとも一部の波長領域の光を遮蔽するカラーフィルタと、前記半導体基板の前記一面側に接着された支持基体と、前記支持基体上に前記複数の光電変換素子の少なくとも一部を覆い、前記複数の光電変換素子の少なくとも一部を覆わないように形成された赤外光領域の光を遮蔽する赤外カットフィルタと、を備えることが好適である。

本発明によれば、可視光領域に感度を有する光電変換素子と赤外光領域に感度を有する光電変換素子とを混載させた光電変換装置を提供することができる。特に、これに限定されるものではないが、ＣＳＰ等のパッケージに適した構造を有する光電変換装置を提供することができる。

＜第１の実施の形態＞
第１の実施の形態における光電変換装置１００について説明する。図１は、チップサイズパッケージ構造を適用した光電変換装置１００の断面図である。ただし、図１は、光電変換装置１００の構造が明確になるように示した模式図である。

半導体基板２の表面上に光電変換素子等が設けられた半導体集積回路Ａが形成される。半導体集積回路Ａには光電変換素子Ｂ及びＣが含まれる。光電変換素子Ｂは、例えば図２の拡大断面図に示すように、Ｐ型の半導体基板２の表面にＮ型の不純物を添加したＮウェル層Ｂ１を形成し、そのＮウェル層Ｂ１内にＰ型の不純物を添加したＰ拡散層Ｂ２を形成したＰＮＰ接合からなる。光電変換素子Ｃは、例えば、Ｐ型の半導体基板２の表面にＮ型の不純物を添加したＮ層Ｃ１を形成したＰＮ接合からなる。

なお、光電変換素子Ｂ及びＣはこれらの例に限定されるものではなく、光を受けて、その光に応じて電荷を発生させるものであればよい。例えば、Ｎ型の半導体基板にＰ型の不純物を添加したＰＮ接合を有するものであってもよいし、Ｎ型の半導体基板の表面にＰ型の不純物を添加したＰウェル層を形成し、そのＰウェル層内にＮ型の不純物を添加したＮ拡散層を形成したＮＰＮ接合を有するものであってもよい。

半導体基板２上には、内部配線４が形成されている。内部配線４は、光電変換素子Ｂ及びＣを含む半導体集積回路Ａに接続され、光電変換素子Ｂ及びＣにおいて光電変換により生成された電荷を電気的な情報として取り出す等の役割を担う。ここで、内部配線４は、模式的に一層構造として示しているが多層構造としてもよい。また、内部配線４を遮光膜として機能させ、半導体基板２に不必要に光が入射することを防止することができる。ただし、光電変換素子Ｂ及びＣが設けられた領域が遮光されないように開口部を設ける。

内部配線４等が形成された半導体基板２上には、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の保護膜６が形成されている。保護膜６には、光電変換素子ＢやＣの領域に開口部６Ａを設けてもよい。開口部６Ａを設けることによって保護膜６による入射光の減衰を低減させることができる。また、開口部６Ａの代りに保護膜６の膜厚を調整し、干渉効果を利用して光の反射を防止させてもよい。

保護膜６が形成された半導体基板２上には、アクリルやエポキシ等の透光性の樹脂からなる平坦化層８を設けてもよい。平坦化層８によって、内部配線４等によって生じた半導体基板２上の凹凸が平坦化される。平坦化層８は、以下のカラーフィルタ１０等の接着性を高める等の作用をもたらす。

平坦化層８上には、可視光領域の光を透過するカラーフィルタ１０が形成される。カラーフィルタ１０は光電変換素子Ｂを覆うように形成する。カラーフィルタ１０は、例えば、人間の視覚によって感じることができる可視光領域を透過する光波長透過性を有するものとする。

カラーフィルタ１０上には、アクリルやエポキシ等の透光性の樹脂からなる保護膜１２を介して、アクリルやエポキシ等の透光性の樹脂を有する樹脂層１４が設けられる。この第２の保護膜１２を設けることによってカラーフィルタ１０と樹脂層１４との境界の密着性を高め、カラーフィルタ１０を保護することができる。

半導体基板２は、樹脂層１４を介して、支持基体１６と接着される。支持基体１６は、例えば、ガラス板等の可視光領域及び赤外光領域の光に対して透過性を有する材料で構成される。

支持基体１６上には、赤外線領域の光を遮蔽する赤外カットフィルタ１８が形成される。赤外カットフィルタ１８は、例えば、互いに異なる屈折率を有する複数の誘電体材料層を積層して構成される干渉膜フィルタを適用することができる。

本実施の形態において赤外カットフィルタ１８は、光電変換素子Ｂを覆い、光電変換素子Ｃを覆わないように形成する。

例えば、図３の拡大断面図に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて赤外カットフィルタ１８を形成することができる。まず、支持基体１６の全面に赤外カットフィルタ１８を形成する。赤外カットフィルタ１８が複数の層で形成される場合には、それらの層を順に積層するように形成する（図３（ａ））。例えば、複数層の誘電体材料層を電子線蒸着法、イオンアシスト蒸着法、イオンプレーティング成膜法等によって形成することができる。次に、赤外カットフィルタ１８上にレジスト膜４０を形成する（図３（ｂ））。続いて、フォトリソグラフィ技術を適用し、光電変換素子Ｂが形成された領域がレジスト膜４０で覆われ、光電変換素子Ｃが形成された領域を覆う赤外カットフィルタ１８が露出するようにレジスト膜４０に開口部４２を形成する（図３（ｃ））。そして、開口部４２から露出している赤外カットフィルタ１８を除去する（図３（ｄ））。赤外カットフィルタ１８の除去には反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）技術や化学エッチング技術を適用することができる。最後に、レジスト膜４０を除去する（図３（ｅ））。

なお、赤外カットフィルタ１８をパターニングする方法はこれに限定されるものではなく、赤外カットフィルタ１８を形成する際にシャドウマスクを用いたマスク蒸着法等により直接パターニングする等の方法を採用してもよい。

赤外カットフィルタ１８上には、樹脂層２０を介して、支持基体２２が接着される。このようにして、人間の視感度とほぼ一致した感度を有する光電変換素子Ｂと赤外光領域に感度を有する光電変換素子Ｃを併設することができる。

すなわち、人間はおおよそ３８０〜７８０ｎｍの光を感じることができ、目の光に対する感度は、光の波長により異なる。図４は人間の標準比視感度特性曲線を示す。図４の実線は明るい所での標準比視感度特性曲線（明順応比視感度）を示し、破線は暗い所での標準比視感度特性曲線（暗順応比視感度）を示す。

図５は、カラーフィルタ１０の光透過率の波長依存性を示す。図５において、破線で示される曲線は明順応比視感度に対応し、直線Ｄ〜Ｆはカラーフィルタ１０の材料や材料の混合比等を異ならせた場合の曲線である。カラーフィルタ１０の材料の混合比等を調整することによって、可視光領域において人間の明順応比視感度曲線と同様の光透光性を有するカラーフィルタ１０とすることができる。このカラーフィルタ１０は、可視光領域の光のみならず赤外光も透過する。

また、図６は、赤外カットフィルタ１８の光透過率の波長依存性を示す。図６の破線で示す曲線は明順応比視感度に対応し、直線Ａ〜Ｃは誘電体材料層を構成するシリコンやチタン等の構成比や積層数等を異ならせた場合の曲線である。赤外カットフィルタ１８は、赤外光領域の光を反射し、可視光領域の光を透過させる。

ここで、図５及び図６において、カラーフィルタ１０及び赤外カットフィルタ１８の透過特性の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、暗順応比視感度特性に調整した赤外カットフィルタ１８とカラーフィルタ１０との組み合わせにすることもできる。

したがって、カラーフィルタ１０と赤外カットフィルタ１８とを組み合わせることで、人間の視感度に合わせた感度を有する光電変換素子Ｂを形成することができる。例えば、図７に示すような人間の視感度に合った感度を有する光電変換素子Ｂを形成することができる。すなわち、光電変換素子Ｂに入射する光は、赤外カットフィルタ１８によって赤外がカットされ、さらにカラーフィルタ１０によって人間の視感度に合わせた光のみを透過させることができる。

また、カラーフィルタ１０及び赤外カットフィルタ１８によって覆われていない光電変換素子Ｃは、赤外光の波長領域の光に対しても感度を有する。例えば、図８に示すような赤外波長領域に感度を有する光電変換素子Ｃを形成することができる。

さらに、図１に示すように、半導体基板２の光電変換素子Ｂ及びＣが形成されていない側からエッチングを行い、半導体基板２は島状に形成される。この島状に形成された半導体基板２を覆うように絶縁膜２４が形成される。ここで絶縁膜２４は、露出された内部配線４の一部のみを覆うように形成される。すなわち、内部配線４の一部は露出されたままの状態となるように絶縁膜２４は形成される。その後、絶縁膜２４の下部に内部配線４と接続され、外部に電気信号を取り出すための外部配線２８が形成される。外部配線２８は、内部配線４に対応して形成される。内部配線４と外部配線２８とは、前述の内部配線４が露出した部分でコンタクトされる。

外部配線２８が内部配線４とコンタクトしない一端近傍において、光電変換装置１００と外部素子との接続端となるボール状端子３０が形成される。ボール状端子３０は、ボール状のハンダ材を加熱によってリフローすることで形成することができる。さらに、半導体基板２の裏面に半導体ウェハ全体を覆ってボール状端子３０の一部を露出させる保護膜３４が形成される。保護膜３４は、半導体基板２や外部配線２８等が物理的な衝撃によって破損することを防ぐ。

保護膜３４形成後、スクライブラインに沿って切断が行われる。ダイシングソーなどを用いてスクライブラインに沿って切断を行うことによって、チップサイズパッケージが適用された光電変換装置１００がチップとして形成される。

第１の実施の形態における光電変換装置の構成を示す図である。第１の実施の形態における光電変換装置の構成を示す部分拡大断面図である。第１の実施の形態における光電変換装置の製造工程の一部を示す部分拡大断面図である。人間の視感度を示す図である。カラーフィルタとの透過特性の例を示す図である。赤外カットフィルタの透過特性の例を示す図である。第１の実施の形態における光電変換装置に含まれる光電変換素子の可視光感度を示す図である。第１の実施の形態における光電変換装置に含まれる光電変換素子の赤外光感度を示す図である。

符号の説明

２半導体基板、４内部配線、６保護膜、６Ａ開口部、８平坦化層、１０カラーフィルタ、１２保護膜、１４樹脂層、１６支持基体、１８赤外カットフィルタ、２０樹脂層、２２支持基体、２４絶縁膜、２８外部配線、３０ボール状端子、３４保護膜、４０レジスト膜、４２開口部、１００光電変換装置、Ａ半導体集積回路、Ｂ，Ｃ光電変換素子。

Claims

半導体基板の一面に複数の光電変換素子を形成する第１工程と、
前記複数の光電変換素子の少なくとも一部を覆うように可視光領域の少なくとも一部の波長領域の光を遮蔽するカラーフィルタを形成する第２工程と、
前記半導体基板の前記一面側に支持基体を接着する第３工程と、
前記複数の光電変換素子の少なくとも一部を覆い、前記複数の光電変換素子の少なくとも一部を覆わないように、赤外光領域の光を遮蔽する赤外カットフィルタを前記支持基体上に形成する第４工程と、
を備える光電変換装置の製造方法。
請求項１に記載の光電変換装置の製造方法であって、
前記第４工程は、前記カラーフィルタで覆われている光電変換素子を覆い、前記カラーフィルタで覆われていない光電変換素子を覆わないように前記赤外カットフィルタを形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
請求項１に記載の光電変換装置の製造方法であって、
前記第２工程は、前記複数の光電変換素子の少なくとも一部を覆うように可視光領域の第１波長領域の光を遮蔽する第１カラーフィルタを形成し、前記第１カラーフィルタで覆われた前記光電変換素子の少なくとも一部を覆うように可視光領域の前記第１波長領域とは異なる第２波長領域の光を遮蔽する第２カラーフィルタを形成し、
前記第４工程は、前記第１カラーフィルタ及び前記第２カラーフィルタにより覆われた前記光電変換素子以外を覆い、前記第１カラーフィルタ及び前記第２カラーフィルタにより覆われた前記光電変換素子を覆わないように前記赤外カットフィルタを形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の光電変換装置の製造方法であって、
前記第４工程は、
前記複数の光電変換素子を覆うように赤外カットフィルタを形成する工程と、
前記赤外カットフィルタの一部を除去する工程と、
を含むことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
請求項１〜４のいずれか１つに記載の光電変換装置の製造方法であって、
前記第１工程は、
前記半導体基板の一面に第１の導電型と第２の導電型の界面を有し、前記赤外カットフィルタで覆われない前記光電変換素子と前記赤外カットフィルタで覆われる前記光電変換素子とを構成し、
前記半導体基板の一面からの前記赤外カットフィルタで覆われない前記光電変換素子の前記界面の深さが、前記赤外カットフィルタで覆われる前記光電変換素子の前記界面の深さに比べ、深く形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
一面に複数の光電変換素子が形成された半導体基板と、
前記複数の光電変換素子の少なくとも一部を覆うように形成された可視光領域の少なくとも一部の波長領域の光を遮蔽するカラーフィルタと、
前記半導体基板の前記一面側に接着された支持基体と、
前記支持基体上に前記複数の光電変換素子の少なくとも一部を覆い、前記複数の光電変換素子の少なくとも一部を覆わないように形成された赤外光領域の光を遮蔽する赤外カットフィルタと、
を備えることを特徴とする光電変換装置。