JP2010258463A - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造の容易化、集光特性の向上を図る。
【解決手段】ＳＯＩ基板３１０の上部の単結晶シリコン層３１２内に、光照射面となる単結晶シリコン層３１２表面から同基板の酸化シリコン層３１１の方向に光電変換素子３２０を形成し、単結晶シリコン層３１２上部に、第１の支持基板３３０を形成し、ウェーハを反転して、ＳＯＩ基板３１０及び酸化シリコン層３１１を除去し、単結晶シリコン層３１２の第１の支持基板３３０と反対側の面に配線層を形成し、配線層上に、第２の支持基板を貼り合わせ、ウェーハを反転して、第１の支持基板３３０を除去する。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体基板の片面に能動素子や配線層を形成するとともに、その裏面側に光電変換素子を配置し、裏面を光電変換素子の受光領域とした裏面照射型の固定撮像素子の製造方法に関するものである。

従来より、例えば２次元配列された多数の画素を有し、各画素毎にフォトダイオードの光電変換素子や画素信号読み出し用の複数のＭＯＳトランジスタを設けたＣＭＯＳイメージセンサが提供されている。
そして、このような従来のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、半導体基板の上面に光電変換素子やＭＯＳトランジスタや各種配線を配置したものが一般的であったが、この場合、光電変換素子の受光領域がＭＯＳトランジスタや配線等を避けるように配置することが必要となるので、半導体基板の上面積や画素数に比較して受光領域の開口率が小さくなる。
そこで、最近は、半導体基板の片面にＭＯＳトランジスタや配線層を形成するとともに、その裏面側に光電変換素子を配置し、裏面を受光領域とした裏面照射型の固定撮像素子が注目されている。

図８は従来の裏面照射型固体撮像素子の具体例を示す断面図である。
この固体撮像素子は、シリコン基板１０に複数のフォトダイオード１２を設け、その上面に多層の配線層１４を設けたものである。各フォトダイオード１２はシリコン基板１０の下面（裏面）側から受光する構造となっており、シリコン基板１０の下面には大きな凹部１６を設けることにより、素子領域が薄く形成され、被写体から照射された光がフォトダイオード１２に取り込まれる。なお、凹部１６内には不図示のカラーフィルタやマイクロレンズ等の上層物が配置される。
しかしながら、この固体撮像素子では、シリコン基板１０の裏面側に凹部１６を形成するための研削及びエッチング処理が技術的にも難しく、かつ極めて長時間を要することから、実用化が困難であるという問題がある。
そこで、シリコン酸化膜で補強した薄い平板状のシリコン基板にフォトダイオードを設け、上述のような凹部を設ける必要をなくした構造の固体撮像素子が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開平９−３３１０５２号公報

しかしながら、上記従来の固体撮像素子では、フォトダイオードを設けたシリコン基板の裏面に厚いシリコン酸化膜を有する構造であるため、フォトダイオードに入射する光の一部がシリコン酸化膜によって吸収され、フォトダイオードへの集光特性が低下するという問題があった。
そこで本発明は、製造が容易で集光特性に優れた固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像素子の製造方法は、以下の工程を有する。まず、ＳＯＩ基板の上部の単結晶シリコン層内に、光照射面となる前記単結晶シリコン層表面から同基板の酸化シリコン層の方向に光電変換素子を形成する。次に、単結晶シリコン層上部に、第１の支持基板を形成する。次に、ウェーハを反転して、ＳＯＩ基板及び酸化シリコン層を除去する。次に、単結晶シリコン層の第１の支持基板と反対側の面に配線層を形成する。次に、配線層上に、第２の支持基板を貼り合わせる。次に、ウェーハを反転して、第１の支持基板を除去する。

本発明による固体撮像素子の製造方法によれば、ＳＯＩ基板上部に形成された単結晶シリコン層を薄膜化し、この単結晶シリコン層内に光電変換素子を形成した後、その上に配線層を形成し、さらにＳＯＩ基板の酸化シリコン層を単結晶シリコン層から除去するようにしたことから、煩雑な工程を要することなく薄膜化したシリコン層内に容易に光電変換素子を形成でき、かつ、膜厚の大きい酸化膜を光電変換素子の受光部上に残すことなく固体撮像素子を完成でき、集光効率のよい固体撮像素子を作成できる効果がある。
また本発明で形成される固体撮像素子は、支持基板によって機械的に補強された薄膜平板状の単結晶シリコン層内に光電変換素子を有し、その受光部上に薄い層間絶縁膜を介してカラーフィルタ及びオンチップマイクロレンズを有する構造により、膜厚の大きい酸化膜を光電変換素子の受光部上に設けることなくマイクロレンズを近接配置でき、集光効率のよい固体撮像素子を提供できる効果がある。

本発明の参考例の固体撮像素子の構造を示す断面図である。 本発明の参考例の製造工程を示す断面図である。 本発明の参考例の製造工程を示す断面図である。 本発明の参考例の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例１の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例１の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例１の製造工程を示す断面図である。 従来の固体撮像素子の一例を示す断面図である。

本発明の実施の形態は、酸化シリコン基板と単結晶シリコン基板の２層基板を作製し、この２層基板のシリコン基板を全面エッチング等によって薄型化し、厚さが５μm程度のシリコン基板とした後、このシリコン基板内にフォトダイオード等の素子を形成する。そして、そのシリコン基板の上部に多層配線層、シリコン酸化膜、支持シリコン基板を貼り合わせて機械的強度を向上させた後、最初の酸化シリコン基板を除去する。この後、シリコン基板の上（裏面側）に、層間絶縁膜、カラーフィルタ、及びオンチップマイクロレンズを形成し、固体撮像素子を完成する。

［参考例］
図１は参考例による固体撮像素子の構造を示す断面図である。
図示のように、本例の固体撮像素子は、支持シリコン基板１１０の片面（裏面）側に反射防止膜等の２層のシリコン酸化膜１２０を介して多層配線層１３０が設けられ、この多層配線層１３０に薄い平板状のシリコン基板１４０が積層され、このシリコン基板１４０に複数の光電変換素子（フォトダイオード）１５０が形成されている。
各フォトダイオード１５０は、シリコン基板１４０の裏面側を受光部として形成されており、さらに、このシリコン基板１４０の裏面側には層間絶縁膜１６０を介してカラーフィルタ１７０及びオンチップマイクロレンズ１８０が設けられている。
このような固体撮像素子では、フォトダイオード１５０の受光部が薄い層間絶縁膜１６０を介してカラーフィルタ１７０及びオンチップマイクロレンズ１８０に接しており、上述した特許文献１による従来例に比較して絶縁膜が薄い分だけ高い集光効率を実現したものとなっている。

次に、本例の固体撮像素子の製造方法について説明する。
図２は本例の固体撮像素子の基本的な製造工程を示す断面図である。
まず、図２（Ａ）において、酸化シリコン基板１４１と単結晶シリコン基板１４２の２層からなる基板を作製する。この２層基板は、各基板を貼り合わせたものや、もしくは図示の例のように、石英基板上に単結晶シリコンをエピタキシャル成長させたＳＯＩ基板を用いるものとする。
次に、図２（Ｂ）において、シリコン基板１４２を全面エッチング等によって薄型化し、厚さが５μm程度のシリコン基板１４０とする。
続いて、図２（Ｃ）に示すように、シリコン基板１４０内にフォトダイオード１５０等の素子を形成する。この場合、フォトダイオード１５０の受光部を酸化シリコン基板１４１側に向けて形成する。
そして、そのシリコン基板１４０の上部に多層配線層１３０を形成し、その上部に、図２（Ｄ）に示すように、２層のシリコン酸化膜１２０を介して支持シリコン基板１１０を貼り合わせて機械的強度を向上させた後、研削、エッチングまたはそれらを併用することによって裏面側の酸化シリコン基板（石英基板）１４１を除去する。
この後、図１に示したように、シリコン基板１４０の上（裏面側）に、上述した薄い層間絶縁膜１６０、カラーフィルタ１７０、及びオンチップマイクロレンズ１８０を形成し、固体撮像素子を完成する。

以上のような本参考例の固体撮像素子は、シリコン基板１４０内に形成したフォトダイオード１５０の受光部とオンチップマイクロレンズ１８０が薄い層間絶縁膜１６０及びカラーフィルタ１７０を介して近接して配置されるので、上述した特許文献１の従来例に比較して集光効率を改善でき、また、図８に示した従来例のように凹部を設ける必要がなく、容易に作成できる効果がある。
また、従来はシリコン基板中にフォトダイオードを形成して基板表面をエッチングやポリッシングで所望の厚さに薄膜化することは極めて困難であったが、本実施例では、上述のように酸化シリコン基板１４１上に５μｍ程度のシリコン基板１４０を形成してフォトダイオード１５０を形成し、その後、酸化シリコン基板１４１を完全に除去する方法であることから、フォトダイオード１５０の受光部上のシリコン層を容易かつ高精度に所望の厚さに薄膜化することができる。

次に、本発明の参考例としてさらに具体的な固体撮像素子の製造工程を説明する。
図３及び図４は本例による固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。
図示の例は、１回の貼り合わせ工程を有する例であり、まず、図３（Ａ）でＳＯＩ基板２１０上のシリコン層２１１の上層に、酸化シリコン層２１２、及びシリコン層２１３を形成する。そして、図３（Ｂ）でシリコン層２１３にフォトダイオード２２０を形成し、図３（Ｃ）に示すように、その上に多層配線層２３０を形成する。
この後、図３（Ｄ）に示すように、多層配線層２３０の上に支持基板２４０を例えば熱可塑性樹脂やＳＯＧ、金属接合等を用いた低温貼り合わせによって設け、図４（Ｅ）及び（Ｆ）に示すように、ウェーハを反転して裏面側のＳＯＩ基板２１０、シリコン層２１１及び酸化シリコン層２１２をエッチング等によって除去し、シリコン層２１３を露呈させる。そして、図４（Ｇ）に示すように、このシリコン層２１３の上に反射防止膜や電極パッド等を形成し、その上にカラーフィルタやオンチップレンズ等を形成していく。

次に、本発明の実施例１として具体的な固体撮像素子の製造工程を説明する。
図５及び図６は本実施例による固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。
図示の例は、２回の貼り合わせ工程を有する例であり、まず、図５（Ａ）でＳＯＩ基板３１０上に酸化シリコン層３１１、シリコン層３１２を形成する。そして、図５（Ｂ）でシリコン層３１２にフォトダイオード３２０を形成し、図５（Ｃ）に示すように、その上に酸化シリコン層３３１を設けた第１の支持基板３３０を高温貼り付け等によって接合する。
次に、図５（Ｄ）及び図６（Ｅ）に示すようにウェーハを反転し、ＳＯＩ基板３１０及び酸化シリコン層３１１を分離する。そして、図６（Ｆ）に示すように、シリコン層３１２上に多層配線層３４０を形成後、さらに図６（Ｇ）でその上に酸化シリコン層３５１を設けた第２の支持基板３５０を貼り合わせる。
そして、図７（Ｈ）で再度ウェーハを反転し、図７（Ｉ）で第１の支持基板３３０及び酸化シリコン層３３１をエッチング等によって除去し、図７（Ｊ）に示すように、シリコン層３１２を露呈させる。そして、このシリコン層３１２の上に反射防止膜や電極パッド等を形成し、その上にカラーフィルタやオンチップレンズ等を形成していく。

１１０……支持シリコン基板、１２０……シリコン酸化膜、１３０……多層配線層、１４
０……シリコン基板、１５０……光電変換素子（フォトダイオード）、１６０……層間絶
縁膜、１７０……カラーフィルタ、１８０……オンチップマイクロレンズ。

Claims (5)

1. ＳＯＩ基板の上部の単結晶シリコン層内に、光照射面となる前記単結晶シリコン層表面から同基板の酸化シリコン層の方向に光電変換素子を形成する工程と、
   前記単結晶シリコン層上部に、第１の支持基板を形成する工程と、
   ウェーハを反転して、前記ＳＯＩ基板及び酸化シリコン層を除去する工程と、
   前記単結晶シリコン層の前記第１の支持基板と反対側の面に配線層を形成する工程と、
   前記配線層上に、第２の支持基板を貼り合わせる工程と、
   ウェーハを反転して、前記第１の支持基板を除去する工程と、
   を有することを特徴とする個体撮像装置の製造方法。
2. 前記光電変換素子は、前記単結晶シリコン層内において、前記単結晶シリコン層表面側に形成される領域とその下層に形成される領域とにより、Ｔ字状に形成されている
   請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
3. 前記第１のシリコン基板の表面には、第１の酸化シリコン層が設けられており、前記単結晶シリコン層上部に第１の支持基板を貼り合わせる工程では、前記第１の酸化シリコン層側が前記単結晶シリコン層側となるように、前記単結晶シリコン層上部に、前記第１の酸化シリコン層が設けられた第１の支持基板を貼り合わせる
   請求項１又は２に記載の固体撮像装置の製造方法。
4. 前記第２のシリコン基板の表面には、第２の酸化シリコン層が設けられており、前記配線層上に第２の支持基板を貼り合わせる工程では、前記第２の酸化シリコン層側が、前記配線層側となるように、前記配線層上に、前記第２の酸化シリコン層が設けられた第２の支持基板を貼り合わせる
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体撮像装置の製造方法。
5. 前記第１の支持基板を前記単結晶シリコン層から除去した後、前記単結晶シリコン層上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上にカラーフィルタ及びオンチップマイクロレンズを設ける工程とを有することを特徴とする請求項１に記載の個体撮像装置の製造方法。

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