JP6720503B2 - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、複数の光電変換素子が２次元状に配列されたＣＭＯＳイメージセンサー、ＣＣＤイメージセンサーなどの固体撮像素子に関する技術である。
固体撮像素子は、光を吸収して電荷を発生するＣＭＯＳタイプもしくはＣＣＤタイプの光電変換素子を２次元状に配列し、発生した電荷を外部へ電気信号として転送するものであって、テレビカメラやデジタルスチルカメラなどに広く用いられている。
固体撮像素子上の光電変換素子はｐｎ接合によるシリコンフォトダイオードで形成されることが一般的である。逆方向電圧を加えたｐｎ接合に光が照射されると、空乏層内で発生した電子は、空乏層中でドリフトし、ｎ型領域に達する。固体撮像素子では各画素のフォトダイオードのｎ型領域で蓄積された電子を、信号電荷として読み出すことで撮像データを得ることができる。
固体撮像素子上の光電変換素子はｐｎ接合によるシリコンフォトダイオードで形成されることが一般的である。逆方向電圧を加えたｐｎ接合に光が照射されると、空乏層内で発生した電子は、空乏層中でドリフトし、ｎ型領域に達する。固体撮像素子では各画素のフォトダイオードのｎ型領域で蓄積された電子を、信号電荷として読み出すことで撮像データを得ることができる。
光電変換素子に入射した光の強度は、光子が半導体中で吸収され、電子‐正孔対を生成するため、内部に進むに従い急激に減衰していく。吸収の割合は光吸収係数に依存し、長波長の光ほど同じ距離を浸透した時の吸収の割合が少ない。そのため波長が長い赤色光が半導体内で吸収されず赤色感度が低下する問題があった。
特許文献１で開示されている従来技術は、光電変換素子を透過した赤外線を再利用するため、光電変換素子の裏面に金属反射鏡兼裏面電極が形成されている固体撮像素子である。しかしながら、形成された金属反射鏡は平面であるため、反射する光の角度を制御できず、効率よく光電変換素子に再入射できない問題があった。
特許文献１で開示されている従来技術は、光電変換素子を透過した赤外線を再利用するため、光電変換素子の裏面に金属反射鏡兼裏面電極が形成されている固体撮像素子である。しかしながら、形成された金属反射鏡は平面であるため、反射する光の角度を制御できず、効率よく光電変換素子に再入射できない問題があった。
一方、特許文献２で開示されている従来技術は、半導体基板の裏面に凹面反射鏡を形成することで、半導体基板を通過した赤色光を効率よく光電変換素子に再入射できる構造であるが、基板の表裏両面に機能性素子を形成する必要があるため、表面素子形成後に裏面素子を形成する際、もしくは両面への素子形成後パッケージングを行う際に、ステージ上に基板を直接置くことが不可能になる等、基板ハンドリングが困難になる問題があった。
本発明は、上記問題に着目してなされたものであり、赤色光感度が向上した固体撮像素子を提供することを目的とする。
課題を解決するために、本発明の一態様である固体撮像素子は、支持基板上に形成された半導体層と、上記半導体層上に配置された複数の光電変換素子とを有する固体撮像素子であって、上記支持基板の上記半導体層が形成される側の表面に、上記光電変換素子に対応させて溝が形成されていると共に、上記溝に光反射構造が配置され、上記光反射構造は、上記溝の表面に沿って形成された反射金属と、上記反射金属と上記半導体層との間に配置される光透過層と、からなることを特徴とする。
本発明の一態様の固体撮像素子によれば、光電変換素子に入射した光のうち、光電変換素子で吸収されきれず、半導体層を通過した赤色光は光電変換素子に対応して設けられた、光反射構造の反射金属で反射され、光電変換素子に再入射するため、固体撮像素子の赤色光感度を改善することができる。
特に、溝に形成した反射金属の表面を、お椀状などの、滑らかな断面円弧状などの凹曲面とした場合には、光反射構造の反射金属で反射した光は、その光が入射した画素の光電変換素子に向かって効率よく反射されるために、隣接する画素の光電変換素子に入射することによる混色を引き起こす恐れも無い。
また、本発明の態様によれば、支持基板の裏面に特に素子を形成する必要がないため、製造工程中にステージ上に基板を直接置くことが可能となり、基板ハンドリングも容易である。
特に、溝に形成した反射金属の表面を、お椀状などの、滑らかな断面円弧状などの凹曲面とした場合には、光反射構造の反射金属で反射した光は、その光が入射した画素の光電変換素子に向かって効率よく反射されるために、隣接する画素の光電変換素子に入射することによる混色を引き起こす恐れも無い。
また、本発明の態様によれば、支持基板の裏面に特に素子を形成する必要がないため、製造工程中にステージ上に基板を直接置くことが可能となり、基板ハンドリングも容易である。
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、本発明はこれに限るものではない。
図１に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、支持基板１０上に形成された半導体層２０と、上記半導体層２０上に配置された複数の光電変換素子２１とを有する。支持基板１０の表面には、光電変換素子２１に対応させて、すなわち光電変換素子２１と厚さ方向（上下）で対向可能な位置に溝１０ａが形成され、その溝１０ａ内に、反射金属１１、光透過層１２からなる光反射構造１４が形成されている。
図１に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、支持基板１０上に形成された半導体層２０と、上記半導体層２０上に配置された複数の光電変換素子２１とを有する。支持基板１０の表面には、光電変換素子２１に対応させて、すなわち光電変換素子２１と厚さ方向（上下）で対向可能な位置に溝１０ａが形成され、その溝１０ａ内に、反射金属１１、光透過層１２からなる光反射構造１４が形成されている。
光反射構造１４は、溝１０ａの表面に沿って形成された反射金属１１と、反射金属１１と半導体層２０との間に配置、すなわち溝１０ａ充填された光透過層１２と、からなる。
上記反射金属１１の表面形状は、断面円弧状など、曲率が急峻する部分（曲率急峻部）がない凹の曲率の曲線からなることが好ましい。例えば、反射金属１１の表面形状は、半球状などのお椀状の形状となっている。又、平面視で、光反射構造１４の面積が光電変換素子２１の面積よりも大きく、平面視で、光電変換素子２１の形成領域が光反射構造１４の形成領域内に完全に収まることが好ましい。尚、円弧は、真円の一部に限定されず、楕円や放物線の一部などからなる凹の曲率形状であっても良い。
また、光電変換素子２１上には層間絶縁層２２と、層間絶縁層２２内に配置された配線２３を有し、また、層間絶縁層２２上には、カラーフィルター２４及びマイクロレンズ２５がこの順に形成されている。
上記反射金属１１の表面形状は、断面円弧状など、曲率が急峻する部分（曲率急峻部）がない凹の曲率の曲線からなることが好ましい。例えば、反射金属１１の表面形状は、半球状などのお椀状の形状となっている。又、平面視で、光反射構造１４の面積が光電変換素子２１の面積よりも大きく、平面視で、光電変換素子２１の形成領域が光反射構造１４の形成領域内に完全に収まることが好ましい。尚、円弧は、真円の一部に限定されず、楕円や放物線の一部などからなる凹の曲率形状であっても良い。
また、光電変換素子２１上には層間絶縁層２２と、層間絶縁層２２内に配置された配線２３を有し、また、層間絶縁層２２上には、カラーフィルター２４及びマイクロレンズ２５がこの順に形成されている。
次に、固体撮像素子の製造方法について、図２から図１１を参照して説明する。ただし、本発明は、これらに限定されるものではない。
まず、図２に示すように支持基板１０上に、光反射構造１４用の溝１０ａを形成するためのフォトレジスト１３による加工用パターンを形成する。支持基板１０は、後の工程における半導体加工プロセスへの適応性、底面が凹形状の溝１０ａの加工容易性から、石英を材料とする基板を用いることが望ましいが、本実施形態はそれに限るものではない。
まず、図２に示すように支持基板１０上に、光反射構造１４用の溝１０ａを形成するためのフォトレジスト１３による加工用パターンを形成する。支持基板１０は、後の工程における半導体加工プロセスへの適応性、底面が凹形状の溝１０ａの加工容易性から、石英を材料とする基板を用いることが望ましいが、本実施形態はそれに限るものではない。
次に、図３に示すように、フォトレジスト１３をマスクとして、支持基板１０の表面に溝１０ａを形成する。溝１０ａの形状は断面矩形でも良いが、お椀状（半球状など）などの凹形状に丸く窪んだ形状の方がより望ましい。ウェットエッチング、もしくは等方性ドライエッチングなどの加工手段を用い、等方性エッチングを行うことで、図３に示す凹形状の曲面を有する溝１０ａを形成することが可能である。
光反射構造１４にて反射した入射光を光電変換素子２１の中心部に集光させるためには、後の工程で形成する光透過層１２の材料の屈折率も考慮して、溝１０ａ表面の凹形状を設計することが望ましいが、赤色光の感度を改善するには、必ずしも反射光は光電変換素子２１の中心部に集光する必要は無く、画素内の空乏層中に再入射されればよいので、本実施例においては、溝１０ａで形成される凹形状を厳密に設計する必要はない。
光反射構造１４にて反射した入射光を光電変換素子２１の中心部に集光させるためには、後の工程で形成する光透過層１２の材料の屈折率も考慮して、溝１０ａ表面の凹形状を設計することが望ましいが、赤色光の感度を改善するには、必ずしも反射光は光電変換素子２１の中心部に集光する必要は無く、画素内の空乏層中に再入射されればよいので、本実施例においては、溝１０ａで形成される凹形状を厳密に設計する必要はない。
また、後の工程において、２次元状に配置された各光反射構造１４に対応する光電変換素子２１を、光反射構造１４の上方に精度良く配置するため、フォトリソグラフィーで光電変換素子２１のパターンを形成する際には、支持基板１０上にアライメントマークが形成されている必要がある。よって、図示はしないが、支持基板１０の表面に溝１０ａを形成する際に、同時にアライメントマークを形成しておくことが望ましい。
溝１０ａを形成後、図４に示すように支持基板１０および、フォトレジスト１３表面に反射金属１１を形成する。反射金属１１はアルミニウム、銀、クロム、タンタル、タングステン、チタンおよびそれら合金等、高い反射率を有する金属薄膜を用いる。また、後の製造工程で高温にさらされるため、少なくとも５００〜６００℃の熱処理によって溶融しない材料であることが望ましい。反射金属１１の成膜は蒸着、スパッタ等の手段を用いる。
溝１０ａを形成後、図４に示すように支持基板１０および、フォトレジスト１３表面に反射金属１１を形成する。反射金属１１はアルミニウム、銀、クロム、タンタル、タングステン、チタンおよびそれら合金等、高い反射率を有する金属薄膜を用いる。また、後の製造工程で高温にさらされるため、少なくとも５００〜６００℃の熱処理によって溶融しない材料であることが望ましい。反射金属１１の成膜は蒸着、スパッタ等の手段を用いる。
反射金属１１の成膜後、フォトレジスト１３を剥離する。フォトレジスト１３は金属薄膜に覆われているため、剥離液による剥離が困難である。そのためＣＭＰ(Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ)等の研磨手段により、支持基板１０の表面を研磨し、フォトレジスト１３上の反射金属膜を除去し、フォトレジスト１３を露出させた後に剥離液処理を行うことで、フォトレジスト１３を剥離することができる。剥離処理によって、フォトレジスト１３の側面に付着した金属薄膜も除去されるので、図５に示すような、溝１０ａの表面にのみ反射金属１１が形成された構造ができる。即ち、溝１０ａの表面に沿って反射金属１１が形成される。
次に、図６に示すように、支持基板１０上に光透過層１２の材料を成膜する。光透過層１２は、後の工程の際に支持基板１０と半導体基板を貼り合わせたことで生じる、支持基板１０に形成した溝１０ａと半導体層２０の間の空隙を埋めるための層である。光透過層１２の材料は、透明性を有し、さらに後の半導体プロセスで用いる高温環境に対して耐性がある、窒化シリコンもしくは、非ドープ型酸化シリコン等の材料が好ましい。また、光透過層１２の成膜は、常圧ＣＶＤ(Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)、ＰＥ−ＣＶＤ(Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ − ＣＶＤ)等の方法によるが、本実施形態はそれらに限るものではない。
光透過層１２を成膜後、光透過層１２表面をＣＭＰ等の研磨手段により、図７に示すように、溝１０ａ以外の支持基板１０の表面が露出するまで研磨する。以上の工程により、支持基板１０の表面に反射金属１１と光透過層１２からなる光反射構造１４を形成することができる。
光透過層１２を成膜後、光透過層１２表面をＣＭＰ等の研磨手段により、図７に示すように、溝１０ａ以外の支持基板１０の表面が露出するまで研磨する。以上の工程により、支持基板１０の表面に反射金属１１と光透過層１２からなる光反射構造１４を形成することができる。
次に、図８のように、光反射構造１４を形成した支持基板１０上に、ｐ型もしくはｎ型シリコンからなる半導体層２０を形成することで、固体撮像素子製造用の基板を形成する。
支持基板１０上に半導体層２０を形成する方法として、スマートカット法が存在する。この方法は、半導体基板に水素イオンを注入し、半導体基板の水素イオンを注入した面もしくは、支持基板１０の表面をプラズマ処理もしくは、オゾン処理で表面活性化した後、半導体基板と支持基板１０を貼り付けて５００℃で熱処理することで、水素イオン注入界面から半導体基板が熱剥離して、支持基板１０上に半導体薄膜が残る形成方法である。
支持基板１０上に半導体層２０を形成する方法として、スマートカット法が存在する。この方法は、半導体基板に水素イオンを注入し、半導体基板の水素イオンを注入した面もしくは、支持基板１０の表面をプラズマ処理もしくは、オゾン処理で表面活性化した後、半導体基板と支持基板１０を貼り付けて５００℃で熱処理することで、水素イオン注入界面から半導体基板が熱剥離して、支持基板１０上に半導体薄膜が残る形成方法である。
貼りあわせた基板から半導体基板を剥離する方法としては、熱処理を行う以外に水素イオン注入界面付近に物理的刺激を加える方法もある。この方法をとる場合、高温熱処理が不要なため、支持基板１０と半導体基板の熱膨張係数が異なることによる、接合界面からの剥離や基板の割れを防ぐことができる。また水素イオンを注入して剥離界面を形成する方法以外に、シリコン基板と支持基板１０と貼り合わせを行った後、グラインダを用いて、シリコンを削った後、ＣＭＰで表面を研磨することで、支持基板１０上に半導体層２０を形成する方法があるが、本発明の形態はこれらに限定されるものではない。
支持基板１０上に残った半導体薄膜に対してＣＭＰ等の方法により研磨処理を行い、表面を平滑化することで、図８に示す半導体層２０を形成する。半導体層２０の膜厚は、貼り合わせ前に半導体基板に注入する水素イオンの注入深さによって定まる。入射光に対する感度を上げるためには、半導体層２０は厚い方が望ましいが、半導体層２０が厚すぎる場合、光反射構造１４で反射した入射光は光が入射した画素だけでなく、隣接画素にまで到達し、その結果混色を引き起こす要因になりうる。そのため半導体層２０の膜厚は３〜５μｍにしておくことが望ましい。
次に、図９に示すように、半導体層２０上に、二次元状に配列される複数の光電変換素子２１を形成する。光電変換素子２１は、光反射構造１４の上方位置に配置されるように形成する。なお、平面視で、光電変換素子２１の中央が、光反射構造１４の中央と一致するようにすることが好ましく、又、平面視で、光電変換素子２１の外縁位置が、図９に示すように、光反射構造１４の外縁位置よりも内側に収まるように配置することが好ましい。
光電変換素子２１としてフォトゲート、もしくはフォトダイオードなどが用いられるが、電荷転送率の高さから埋め込み型のフォトダイオードを用いることが望ましい。また図示しないが、光電変換素子２１を形成すると同時に固体撮像素子の駆動に必要な素子を画素内に形成する。例えばＣＣＤイメージセンサーの場合は、垂直転送ＣＣＤを光電変換素子２１と共に形成する。一方、ＣＭＯＳイメージセンサーの場合は、浮遊拡散層アンプ、電荷転送用トランジスタ等の素子を光電変換素子２１と共に形成する。
光電変換素子２１としてフォトゲート、もしくはフォトダイオードなどが用いられるが、電荷転送率の高さから埋め込み型のフォトダイオードを用いることが望ましい。また図示しないが、光電変換素子２１を形成すると同時に固体撮像素子の駆動に必要な素子を画素内に形成する。例えばＣＣＤイメージセンサーの場合は、垂直転送ＣＣＤを光電変換素子２１と共に形成する。一方、ＣＭＯＳイメージセンサーの場合は、浮遊拡散層アンプ、電荷転送用トランジスタ等の素子を光電変換素子２１と共に形成する。
次に、図１０に示すように、光電変換素子２１および、その他の素子形成後、信号電荷や信号電圧を転送するため、またはトランジスタを駆動するための配線２３を形成する。また、固体撮像素子の構造によっては複数の配線層が必要になるため、各配線層間に層間絶縁層２２を形成する。
層間絶縁層２２の材料は非ドープ型酸化シリコン等の透明性を有する、低誘電率材料を用いる。また、層間絶縁層２２は常圧ＣＶＤ、ＰＥ−ＣＶＤ等の方法によって成膜する。配線２３の材料はアルミニウム、銅、クロム、およびそれら合金等を用い、それらの材料に適した製造プロセスを用いて配線２３による配線パターンを形成することで、図１０に示す層間絶縁層２２並びに配線２３を形成することができる。
層間絶縁層２２の材料は非ドープ型酸化シリコン等の透明性を有する、低誘電率材料を用いる。また、層間絶縁層２２は常圧ＣＶＤ、ＰＥ−ＣＶＤ等の方法によって成膜する。配線２３の材料はアルミニウム、銅、クロム、およびそれら合金等を用い、それらの材料に適した製造プロセスを用いて配線２３による配線パターンを形成することで、図１０に示す層間絶縁層２２並びに配線２３を形成することができる。
次に図１１に示すようにカラーフィルター２４を形成する。図示していないが、カラーフィルター２４を形成する前に、層間絶縁層２２上に平坦化性を有する有機膜を成膜し、表面を平滑化してからカラーフィルター２４を形成しても良い。カラーフィルター２４は顔料を分散させた光感光性を有する樹脂を用いて、フォトリソグラフィーによりパターン形成を行うことができる。また、層間絶縁層２２上、もしくはその上に形成した平坦化膜上に顔料を分散させた非感光性樹脂を塗布し、さらに塗布した非感光性樹脂上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりパターン形成した上で、ドライエッチングを行うことで、カラーフィルター２４のパターン加工を行うことも可能である。カラーフィルター２４のカラー配列はレッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）の三色のベイヤー配列（Ｂａｙｅｒ Ａｒｒａｙ）もしくはＲＧＢによる他の配列、その他ＲＧＢ以外の色、例えばホワイト、シアン、イエロー、マゼンタ等のフィルターを配列したカラーフィルター配列でも良いが、本実施形態はそれらに限るものではない。
カラーフィルター２４を形成後、カラーフィルター２４上にマイクロレンズ２５を形成することで、図１に示す本実施形態の固体撮像素子が完成する。マイクロレンズ２５は、カラーフィルター２４上に感光性樹脂を塗布し、フォトリソグラフィーにより各画素のレンズ間ギャップを形成した後、熱フローさせることでレンズ形状を形成することができる。もしくはカラーフィルター２４上に樹脂を塗布し、その上に感光性樹脂を塗布して、フォトリソグラフィー、熱フローによりレンズ形状を形成した後に、レンズ形状を形成した感光性樹脂膜を犠牲膜としてドライエッチングを行い、カラーフィルター２４上に形成した樹脂をレンズ形状に加工する方法によっても、マイクロレンズ２５を形成することができる。
実施形態の固体撮像素子によれば、光電変換素子２１に入射した光のうち、光電変換素子２１で吸収されきれず、半導体層２０を通過した赤色光は、光電変換素子２１に対応して設けられた、光反射構造１４の反射金属１１で反射され光電変換素子２１に再入射するため、固体撮像素子の赤色光感度を改善することができる。
特に、溝１０ａの表面即ち、反射金属１１の表面を、お椀状などの滑らかな凹曲率の曲面とした場合には、光反射構造１４の反射金属で反射した光は、その光が入射した画素の光電変換素子２１に向かって効率よく反射されるために、隣接する画素の光電変換素子２１に入射することによる混色を引き起こす恐れも無い。
また、支持基板１０の裏面に特に素子を形成する必要がないため、製造工程中にステージ上に基板を直接置くことが可能となり、基板ハンドリングも容易である。
特に、溝１０ａの表面即ち、反射金属１１の表面を、お椀状などの滑らかな凹曲率の曲面とした場合には、光反射構造１４の反射金属で反射した光は、その光が入射した画素の光電変換素子２１に向かって効率よく反射されるために、隣接する画素の光電変換素子２１に入射することによる混色を引き起こす恐れも無い。
また、支持基板１０の裏面に特に素子を形成する必要がないため、製造工程中にステージ上に基板を直接置くことが可能となり、基板ハンドリングも容易である。
以下、本発明の実施例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
（光反射構造１４の形成）
支持基板１０である厚さ０．５ｍｍの石英基板に、フォトレジスト１３をスピンコーターで塗布し、露光、現像を行うことで、光反射構造１４を形成するためのパターンを形成した。次に支持基板１０に対してフッ化水素酸を用いて、ウェットエッチング処理を行い、お椀状の溝１０ａを形成した。
その後、スパッタリングによって支持基板１０の表面にアルミニウム薄膜を成膜することで、反射金属１１を形成した。反射金属１１は支持基板１０に形成した溝１０ａおよび、フォトレジスト１３を覆うように一面に成膜された。
（光反射構造１４の形成）
支持基板１０である厚さ０．５ｍｍの石英基板に、フォトレジスト１３をスピンコーターで塗布し、露光、現像を行うことで、光反射構造１４を形成するためのパターンを形成した。次に支持基板１０に対してフッ化水素酸を用いて、ウェットエッチング処理を行い、お椀状の溝１０ａを形成した。
その後、スパッタリングによって支持基板１０の表面にアルミニウム薄膜を成膜することで、反射金属１１を形成した。反射金属１１は支持基板１０に形成した溝１０ａおよび、フォトレジスト１３を覆うように一面に成膜された。
次にＣＭＰによって支持基板１０の表面を研磨し、フォトレジスト１３を覆った反射金属１１を除去することで、フォトレジスト１３の表面を露出させた後、フォトレジスト１３用の剥離液を用いて、支持基板１０に形成したフォトレジスト１３の剥離処理を行った。剥離に伴い、フォトレジスト１３側面に成膜された反射金属１１も除去されたため、剥離処理後に残る反射金属１１は溝１０ａ内に成膜されたもののみとなった。
フォトレジスト１３を剥離後、支持基板１０表面に常圧ＣＶＤによって非ドープ型酸化シリコンを成膜した。成膜後、表面をＣＭＰによって研磨し、表面を平滑化させることで、溝１０ａ内に光透過層１２を形成した。以上の工程により支持基板１０に対して、反射金属１１と光透過層１２からなる、光反射構造１４を形成した。
フォトレジスト１３を剥離後、支持基板１０表面に常圧ＣＶＤによって非ドープ型酸化シリコンを成膜した。成膜後、表面をＣＭＰによって研磨し、表面を平滑化させることで、溝１０ａ内に光透過層１２を形成した。以上の工程により支持基板１０に対して、反射金属１１と光透過層１２からなる、光反射構造１４を形成した。
（支持基板１０上への半導体層２０の形成）
光反射構造１４を形成した支持基板１０へ、貼り合わせを行うための高エネルギーイオン注入装置を用いてｐ型のシリコン基板の表面に、ドーズ量７．０ｘ１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２、注入エネルギー５００ｋｅＶの条件で水素イオンを注入した。水素イオン注入後、シリコン基板の表面にオゾン処理を施して表面を活性化させ、支持基板１０の光反射構造１４を形成した側の面に貼り付けた。
シリコン基板を支持基板１０に貼り合わせた後、５００℃で熱処理を行うことによって、水素イオン注入界面から半導体基板が熱剥離して、支持基板１０上に半導体薄膜が残った。次にＣＭＰによって半導体薄膜表面を研磨し、表面を平滑化することで半導体層２０を形成した。固体撮像素子形成後、走査電子顕微鏡Ｓ４８００（日立ハイテクノロジーズ社製）により素子の断面を観察したところ、半導体層２０の膜厚は４μｍであった。
光反射構造１４を形成した支持基板１０へ、貼り合わせを行うための高エネルギーイオン注入装置を用いてｐ型のシリコン基板の表面に、ドーズ量７．０ｘ１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２、注入エネルギー５００ｋｅＶの条件で水素イオンを注入した。水素イオン注入後、シリコン基板の表面にオゾン処理を施して表面を活性化させ、支持基板１０の光反射構造１４を形成した側の面に貼り付けた。
シリコン基板を支持基板１０に貼り合わせた後、５００℃で熱処理を行うことによって、水素イオン注入界面から半導体基板が熱剥離して、支持基板１０上に半導体薄膜が残った。次にＣＭＰによって半導体薄膜表面を研磨し、表面を平滑化することで半導体層２０を形成した。固体撮像素子形成後、走査電子顕微鏡Ｓ４８００（日立ハイテクノロジーズ社製）により素子の断面を観察したところ、半導体層２０の膜厚は４μｍであった。
（固体撮像素子の製造）
次に、ＣＭＯＳ製造プロセスにより、半導体層２０上に光電変換素子２１となる埋め込み型フォトダイオードを形成した。また、ＣＭＯＳイメージセンサーを駆動するための機能性素子である、浮遊拡散層アンプ、電荷転送用トランジスタ選択用トランジスタ、リセットトランジスタ、ソースフォロワアンプを光電変換素子２１と同時に画素内に形成した。
光電変換素子２１および、その他の素子を形成後、配線２３を形成した。また、各配線層間に層間絶縁層２２を形成した。層間絶縁層２２は非ドープ型酸化シリコンを常圧ＣＶＤで成膜して形成した。また、配線２３はアルミニウム薄膜をスパッタで成膜した後、フォトリソグラフィーにより配線パターン加工を行うことで形成した。
次に、ＣＭＯＳ製造プロセスにより、半導体層２０上に光電変換素子２１となる埋め込み型フォトダイオードを形成した。また、ＣＭＯＳイメージセンサーを駆動するための機能性素子である、浮遊拡散層アンプ、電荷転送用トランジスタ選択用トランジスタ、リセットトランジスタ、ソースフォロワアンプを光電変換素子２１と同時に画素内に形成した。
光電変換素子２１および、その他の素子を形成後、配線２３を形成した。また、各配線層間に層間絶縁層２２を形成した。層間絶縁層２２は非ドープ型酸化シリコンを常圧ＣＶＤで成膜して形成した。また、配線２３はアルミニウム薄膜をスパッタで成膜した後、フォトリソグラフィーにより配線パターン加工を行うことで形成した。
次に層間絶縁層２２上に、それぞれ緑色、青色、赤色の顔料を含有する３種類の感光性樹脂を用いてベイヤー型配列となるようにカラーフィルター２４を形成した。顔料を含有する感光性樹脂はスピンコート法で塗布した後、露光、現像することで色ごとにパターンを形成した。
カラーフィルター２４形成後、カラーフィルター２４上に非感光性樹脂を塗布し、ベークを行うことで平坦化膜を形成した。次に平坦化膜上にポジ型の感光性樹脂をスピンコート法で塗布し、フォトリソグラフィーを行って各画素のレンズ間ギャップを形成した後に熱処理をすることで、感光性樹脂がリフローしてレンズ形状になり、マイクロレンズ２５が形成された。また、可視光領域の光を入射した時に光電変換素子２１の中心付近に集光するようにマイクロレンズ２５のレンズ形状を設計した。
マイクロレンズ２５を形成した後に保護膜の成膜、支持基板のダイシング、配線ボンディング等の後処理を行うことで、固体撮像素子とした。
カラーフィルター２４形成後、カラーフィルター２４上に非感光性樹脂を塗布し、ベークを行うことで平坦化膜を形成した。次に平坦化膜上にポジ型の感光性樹脂をスピンコート法で塗布し、フォトリソグラフィーを行って各画素のレンズ間ギャップを形成した後に熱処理をすることで、感光性樹脂がリフローしてレンズ形状になり、マイクロレンズ２５が形成された。また、可視光領域の光を入射した時に光電変換素子２１の中心付近に集光するようにマイクロレンズ２５のレンズ形状を設計した。
マイクロレンズ２５を形成した後に保護膜の成膜、支持基板のダイシング、配線ボンディング等の後処理を行うことで、固体撮像素子とした。
次に、本発明に基づき製造した、上記実施例の固体撮像素子に入射した挙動について、図１２を用いて説明する。
固体撮像素子に向かって垂直に入射した光はマイクロレンズ２５内で屈折し、光電変換素子２１の中心に向かって集光する。波長が短い光は光電変換素子２１の表面、もしくは内部において光電変換し、電子-正孔対を形成するが、大半の赤色光は光電変換せずに半導体層２０を通過し、光反射構造１４中の反射金属１１にて反射する。また、レンズ２５の頂点から垂直に入射した光だけでなく、光電変換素子２１に集光後、光反射構造１４に斜めに入射した光も、反射金属１１の面が半球状などの凹形状（お椀形状）で形成されているため、光電変換素子２１の中心に向けて効率よく反射し、再入射する。このため、本実施例の構造の固体撮像素子は、赤色光に対する感度が改善する。
固体撮像素子に向かって垂直に入射した光はマイクロレンズ２５内で屈折し、光電変換素子２１の中心に向かって集光する。波長が短い光は光電変換素子２１の表面、もしくは内部において光電変換し、電子-正孔対を形成するが、大半の赤色光は光電変換せずに半導体層２０を通過し、光反射構造１４中の反射金属１１にて反射する。また、レンズ２５の頂点から垂直に入射した光だけでなく、光電変換素子２１に集光後、光反射構造１４に斜めに入射した光も、反射金属１１の面が半球状などの凹形状（お椀形状）で形成されているため、光電変換素子２１の中心に向けて効率よく反射し、再入射する。このため、本実施例の構造の固体撮像素子は、赤色光に対する感度が改善する。
１０ 支持基板
１０ａ 溝
１１ 反射金属
１２ 光透過層
１３ フォトレジスト
１４ 光反射構造
２０ 半導体層
２１ 光電変換素子
２２ 層間絶縁層
２３ 配線
２４ カラーフィルター
２５ マイクロレンズ
１０ａ 溝
１１ 反射金属
１２ 光透過層
１３ フォトレジスト
１４ 光反射構造
２０ 半導体層
２１ 光電変換素子
２２ 層間絶縁層
２３ 配線
２４ カラーフィルター
２５ マイクロレンズ
Claims (11)
- 支持基板上に形成された半導体層と、上記半導体層上に配置された複数の光電変換素子とを有する固体撮像素子であって、
上記支持基板の上記半導体層が形成される側の表面に、上記光電変換素子に対応させて溝が形成されていると共に、上記溝に光反射構造が配置され、
上記光反射構造は、上記溝の表面形状に沿って形成された反射金属と、上記反射金属と上記半導体層との間に配置される光透過層と、からなることを特徴とする固体撮像素子。 - 上記反射金属の表面は、曲率急峻部がない凹の曲率の曲線からなることを特徴とする請求項１に記載した固体撮像素子。
- 上記反射金属の表面形状は、断面円弧形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した固体撮像素子。
- 上記支持基板の材質が石英であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載した固体撮像素子。
- 上記光透過層の材質が非ドープ型酸化シリコンであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載した固体撮像素子。
- 上記溝の表面形状は、断面円弧形状であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載した固体撮像素子。
- 上記光透過層の材質は、窒化シリコンであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載した固体撮像素子。
- 上記反射金属は、クロム、タンタル、タングステン、チタン、またはそれらの合金で形成された金属膜であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載した固体撮像素子。
- 上記反射金属は、蒸着膜、またはスパッタ形成膜であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載した固体撮像素子。
- 支持基板上に半導体層が形成され、その上記半導体層上に複数の光電変換素子が配置された固体撮像素子の製造方法であって、
上記支持基板の表面に複数の溝を形成し、上記溝の表面形状に沿って反射金属を形成すると共に上記溝内に光透過層を充填することで光反射構造を形成し、
上記光反射構造が形成された上記支持基板の表面に対し半導体基板を貼りあわせ、更に、半導体薄膜を残した状態で、上記半導体基板を剥離した後に、上記半導体薄膜表面を研磨することで、上記半導体層を形成し、
上記半導体層上に光電変換素子を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 上記溝の表面形状は、断面円弧形状であることを特徴とする請求項１０に記載した固体撮像素子の製造方法。
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