JP6740628B2 - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳからなる光電変換素子を形成した固体撮像素子と、その製造方法に関する。

近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を用いた撮像装置が、普及してきている。

その固体撮像素子においては、光電変換素子の感度を向上させるために、受光部の入射側に、樹脂又は光学ガラスからなるマイクロレンズを形成していた。

しかし、マイクロレンズを通過した光が所定の光電変換素子に入射せず、異なった光電変換素子（例えば、隣接した光電変換素子）に入射するノイズ光になった場合、得られる画像にノイズを与えるクロストークを生じる。

そのため、特許文献１や特許文献２では、所望する光電変換素子とは異なった光電変換素子にノイズ光が入射してクロストークを生じるのを防止するため、固体撮像素子の各光電変換素子を区画してノイズ光を遮る遮光壁を設ける技術が提案されている。

特開２０１２−２０４８３７号公報 特開２０１０−２２５９８６号公報

しかし、特許文献１の技術では、黒色のフォトレジストや酸化シリコンのＴＥＯＳ膜で遮光壁を形成していた。そのため、その遮光壁で十分に光吸収率を得るためには、その遮光壁の厚さを１μｍから２μｍ程度の厚さに形成する必要があり、ピッチが１μｍ以下の微細な光電変換素子が配列した固体撮像素子には用いることができない問題があった。

一方、特許文献２の技術では、光透過率が低いシリコンで遮光壁（凸部）を形成することで十分な光吸収率を持つ遮光壁でノイズ光を遮ってクロストークを抑制していた。しかし、特許文献２の技術では、光電変換素子の受光面をシリコン基板の裏面側に向けて形成した後に、そのシリコンウェハの裏面側を研磨して厚さを薄くした後に、裏面側からシリコンウェハをエッチングしてシリコンウェハに窓を形成し、その窓の外側のシリコンによる遮光壁を形成していた。

特許文献２では、その様に能動素子の光電変換素子を形成したシリコン基板を研磨加工するため、その製造過程で、形成した能動素子の光電変換素子を破壊する事による不良品が発生し易い問題があり、また、その加工のストレスにより能動素子の光電変換素子の特性が劣化して製品の品質が低下する問題があった。

また、特許文献２では、各光電変換素子を区画してクロストークを抑制する遮光壁の水平方向の厚さが薄くなると、遮光壁の水平方向の厚さに対する遮光壁の垂直方向の高さの
比であるアスペクト比が高くなり、遮光壁を形成することが困難になる問題があるので、遮光壁の垂直方向の高さを低くし、その遮光壁の上に透明樹脂で十分な厚さの平坦化層を形成していた。

その平坦化層の厚さが厚いため、遮光壁の外側で隣接するマイクロレンズからのノイズ光が、その平坦化層を通して光電変換素子に達してクロストークを発生する問題があった。

そのため、本発明の課題は、上記問題を解決し、光電変換素子を区画する遮光壁を、光吸収率の高いシリコン材で形成し、かつ、その遮光壁の高さを高くアスペクト比を大きく形成した固体撮像素子及びその製造方法を得ることである。

上記課題を解決するために本発明は、シリコンウェハの光電変換素子を形成した面に、シリコン材に穴部が形成されて成る壁マトリクス体が、該穴部を前記光電変換素子に対向させて接着され、各々の前記光電変換素子が前記壁マトリクス体の穴部の側壁である遮光壁で区画され、該遮光壁のアスペクト比が２．５以上１００以下に形成され、前記穴部に透明樹脂が充填され、前記透明樹脂と前記壁マトリクス体の上にカラーフィルタ層が形成され、該カラーフィルタ層の上にマイクロレンズが形成されていることを特徴とする固体撮像素子である。

本発明は、この構成により、壁マトリクス体のシリコン材の遮光壁が、厚さが０．２μｍ以下の薄い遮光壁であっても、光吸収率が高いシリコン材の遮光壁がノイズ光を十分に遮光できる効果がある。また、その遮光壁の高さを十分に高くし遮光壁の上に厚い平坦化層を設けない様にしたので、壁マトリクス体のシリコン材の遮光壁がノイズ光を十分に遮光することができる効果がある。

また、本発明は、上記の固体撮像素子であって、前記遮光壁の側壁面に１μｍ以下０．１μｍ以上のピッチの小ピッチの溝構造が形成されていることを特徴とする固体撮像素子である。

本発明は、この壁マトリクス体の穴部の壁面に１μｍ以下の小ピッチの溝構造を形成することで、壁マトリクス体に入射するノイズ光が効果的に散乱され吸収されて除去される効果がある。

また、本発明は、ウェハ状のＳＯＩ基板のシリコン層に穴部を形成することで該穴部間の側壁である遮光壁を形成した壁マトリクス体を形成し、該壁マトリクス体の前記遮光壁のアスペクト比を２．５以上１００以下に形成する工程と、前記ＳＯＩ基板を、前記壁マトリクス体の前記穴部を光電変換素子が形成されたシリコンウェハの該光電変換素子に対向させて透明接着剤で接着する工程と、前記ＳＯＩ基板の基板用シリコン層を除去する工程と、前記壁マトリクス体と前記透明接着剤の層の上にカラーフィルタ層を形成する工程と、該カラーフィルタ層の上にマイクロレンズアレイを形成する工程を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

また、本発明は、上記の固体撮像素子の製造方法であって、前記ＳＯＩ基板に前記壁マトリクス体を形成する工程が、前記シリコン層をボッシュ方式のエッチング加工処理することで前記穴部を形成し、前記遮光壁の側壁面に１μｍ以下０．１μｍ以上のピッチの小ピッチの溝構造を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

また、本発明は、上記の固体撮像素子の製造方法であって、前記ウェハ状のＳＯＩ基板
に前記壁マトリクス体を形成する工程が、前記ウェハ状のＳＯＩ基板の外周から３ｍｍ以上の幅の前記シリコン層をエッチングせずに残したウェハ外周枠部を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

また、本発明は、上記の固体撮像素子の製造方法であって、前記ＳＯＩ基板に壁マトリクス体を形成する工程が、前記ウェハ外周枠部に貼り合せ位置決め用パターンを金属で形成する工程を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

また、本発明は、光電変換素子を形成したシリコンウェハの該光電変換素子を形成した面に壁マトリクス体用シリコンウェハを接着する工程と、該壁マトリクス体用シリコンウェハに前記光電変換素子に位置を合わせた穴部を形成して成る壁マトリクス体を形成し、該穴部間のシリコン材の遮光壁を、アスペクト比を２．５以上１００以下に形成する工程と、該穴部に透明樹脂を充填する工程と、該透明樹脂の上にカラーフィルタ層を形成する工程と、該カラーフィルタ層の上にマイクロレンズアレイを形成する工程を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

また、本発明は、上記の固体撮像素子の製造方法であって、前記壁マトリクス体用シリコンウェハに壁マトリクス体を形成する工程が、ボッシュ方式のエッチング加工処理により、前記遮光壁の側壁面に１μｍ以下０．１μｍ以上のピッチの小ピッチの溝構造を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法である。

本発明は、シリコン半導体の光電変換素子に対応する穴部を形成したシリコン材の壁マトリクス体をシリコン半導体に接着して、シリコン半導体の各光電変換素子をその壁マトリクス体の遮光壁で区画し、また、その遮光壁の水平方向の厚さを薄くすることで、遮光壁の水平方向の厚さに対する垂直方向の高さの比であるアスペクト比を２．５以上１００以下にした固体撮像素子を製造する。

本発明は、この構成により、壁マトリクス体のシリコン材の遮光壁の水平方向の厚さが０．２μｍ以下の薄い遮光壁であっても、シリコン材の光吸収率が高いため遮光壁がノイズ光を十分に遮光することができる効果がある。また、その遮光壁の垂直方向の高さを十分に高くすることで遮光壁の上に厚い平坦化層を設ける必要性を無くしたので、壁マトリクス体のシリコン材の遮光壁がノイズ光を十分に遮光することができる効果がある。

また、壁マトリクス体の穴部の壁面である遮光壁の側壁面に１μｍ以下の小ピッチの溝構造を形成することで、壁マトリクス体に入射するノイズ光が効果的に散乱され吸収されて除去される効果がある。

（ａ）第１の実施形態のシリコンウェハ上に形成されている固体撮像素子の概略構成を表す平面図である。（ｂ）同、側断面図である。 （ａ）第１の実施形態のシリコンウェハに接着するＳＯＩ基板上の壁マトリクス体の概略構成を表す平面図である。（ｂ）同、側断面図である。 第１の実施形態の固体撮像素子の側断面模式図である。 第１の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す側断面図である（その１）。 第１の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す側断面図である（その２）。 第１の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す側断面図である（その３）。 第２の実施形態の固体撮像素子の側断面模式図である。 第２の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す側断面図である（その１）。 第２の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す側断面図である（その２）。 第２の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す側断面図である（その３）。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態の固体撮像素子を図１から図６を参照して説明する。図１（ｂ）に、本発明の固体撮像素子がシリコンウェハ２０上に、壁マトリクス体１４とマイクロレンズアレイ５０を設置されて形成されている状態を模式的に示す側断面図を示し、図１（ａ）に、その平面図を示す。

図２（ａ）に、シリコンウェハ２０上の固体撮像素子群の一部である、ＳＯＩ基板１０上に形成されている壁マトリクス体１４を模式的に示す平面図を示し、図２（ｂ）に、その側断面図を示す。また、図３に、本実施形態の固体撮像素子の模式的側断面図を示す。なお、図３以降の模式的側断面図は、固体撮像素子群がシリコンウェハ２０上に左右に連なる形態の一部分を拡大して示したものである。

本実施形態の固体撮像素子は、図１、図３の様に、片方の面側に複数の光電変換素子２１が、２μｍ以下のピッチで配列されているシリコンウェハ２０を用いる。

また、図２の様に、複数の光電変換素子２１（センサアレイ）を形成したシリコンウェハ２０と同等の大きさのＳＯＩ基板１０を用い、そのＳＯＩ基板１０のシリコン層１０ａに、光電変換素子２１に対応させた穴部１３を形成した壁マトリクス体１４を作成する。

ＳＯＩ基板１０には、基板用シリコン層１０ｂの厚さが３００μｍ〜８００μｍで、シリコン層１０ａの厚さが０．５μｍ〜２０μｍで、埋め込み酸化層１１の厚さが０．１μｍ〜２０μｍのＳＯＩ基板１０を用いることができる。

シリコン層１０ａに形成する穴部１３の開口の形状は、矩形開口や円形に近い穴を形成することができる。ここで、受光面積を大きくするために光電変換素子２１を矩形状に形成し、それに合わせて穴部１３も矩形開口に形成することが望ましい。

穴部１３の深さは、埋め込み酸化層１１に達するシリコン層１０ａの厚さの０．５μｍ〜２０μｍに形成する。穴部１３は、光電変換素子２１のピッチで形成する。シリコンウェハ２０上の光電変換素子２１が１μｍ程度のピッチで配列されている場合は穴部１３も１μｍ程度のピッチで形成し、シリコン層１０ａの厚さが０．５μｍ〜１５μｍの場合は、穴部１３の深さが０．５μｍ〜１５μｍに形成する。

壁マトリクス体１４の穴部１３間のシリコン材の遮光壁の厚さを光電変換素子２１のピッチの５分の１にする場合は、そのシリコン材の遮光壁の水平方向の厚さは０．２μｍである。その場合に、そのシリコン材の遮光壁は水平方向の厚さが０．２μｍで垂直方向の高さが０．５から５μｍになり、その水平方向の厚さに対する垂直方向の高さの比であるアスペクト比は２．５〜２５になる。

このＳＯＩ基板１０の壁マトリクス体１４の穴部１３は、詳しくは図３の様に、ボッシュ方式のエッチング加工処理によって形成する。それにより、壁マトリクス体１４の穴部１３の壁面（すなわち、遮光壁の側壁面）に１μｍ以下０．１μｍ以上の小ピッチの溝構造１５を形成する。

ボッシュ方式のエッチング加工処理を用いれば、壁マトリクス体１４のシリコン材の遮
光壁として、最大で１００までの大きなアスペクト比の遮光壁を形成することができる。そのため、シリコン材の遮光壁のアスペクト比は２．５以上１００以下までの大きなアスペクト比の遮光壁を形成することができる。

なお、このエッチング加工の際に、ＳＯＩ基板１０のウェハの外周から少なくとも３ｍｍの領域のウェハ外周枠部１６のシリコン層１０ａをエッチングせずに残す。また、そのウェハ外周枠部１６のシリコン層１０ａには貼り合せ位置決め用パターン１７を金属パターン等で形成する。

図３の様に、シリコンウェハ２０の光電変換素子２１を形成した面に、透明接着剤層３０を用いて壁マトリクス体１４を、貼り合せ位置決め用パターン１７を参照して位置を合わせて貼り合わせる。

壁マトリクス体１４を形成したＳＯＩ基板１０をシリコンウェハ２０に貼り合わせた後で、ＳＯＩ基板１０の基板用シリコン層１０ｂを除去してＳＯＩ基板１０の埋め込み酸化層１１を露出させる。そして、その露出した埋め込み酸化層１１の上に、光電変換素子２１に対応するカラーフィルタ層４０のパターンを形成する。そのカラーフィルタ層４０の上に光電変換素子２１に対応するマイクロレンズ５０を形成する。

そのマイクロレンズ５０は、図３の様に、入射光Ｌ１を集束させて光電変換素子２１に導く。一方、隣接するマイクロレンズ５０から入射するノイズ光Ｌ２は、壁マトリクス体１４のシリコン材の遮光壁によって遮蔽することで、光電変換素子２１に入射しないようにする。

壁マトリクス体１４のシリコン材の遮光壁は、その水平方向の厚さが０．２μｍであっても、シリコン材の光吸収率が高いため、ノイズ光Ｌ２を十分に遮光できる。そして、その遮光壁は、アスペクト比が２．５〜１００の遮光壁にし、遮光壁の垂直方向の高さを十分に高くし遮光壁の上に厚い平坦化層を設けない様にしたので、壁マトリクス体１４のシリコン材の遮光壁がノイズ光Ｌ２を十分に遮光することができる効果がある。

また、壁マトリクス体１４の穴部１３の壁面に形成されている１μｍ以下の小ピッチの溝構造１５により、壁マトリクス体１４に入射するノイズ光Ｌ２が効果的に散乱され吸収されて除去される効果がある。

こうして、シリコンで形成した壁マトリクス体１４を、シリコンウェハ２０の光電変換素子２１を形成した面に貼り付けて、各光電変換素子２１に壁マトリクス体１４の穴部１３を位置合わせして、光電変換素子２１同士を壁マトリクス体１４の遮光壁で仕切る。

それにより、隣接する光電変換素子２１上のマイクロレンズ５０から侵入するノイズ光Ｌ２は壁マトリクス体１４の遮光壁とその側壁面の小ピッチの溝構造１５で遮って散乱させて吸収させて光電変換素子２１に入射させないようにできる効果がある。

（製造方法）
第１の実施形態の固体撮像素子の製造工程を図４から図６を参照して説明する。

（工程１）壁マトリクス体１４の製造
まず、図４（ａ）の様なＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１０を用意する。すなわち、基板用シリコン層１０ｂ上に、埋め込み酸化層１１を介して、シリコン層１０ａが形成されたＳＯＩ基板１０を用意する。そのＳＯＩ基板１０のシリコン層１０ａの表面に、２μｍ程度の膜厚のシリコン酸化膜からなる熱酸化膜１２をエッチングマスク用に形成す
る。

（工程２）
次に、その熱酸化膜１２の面上にフォトレジストパターンを形成し、そのフォトレジストパターンをエッチングマスクとして、例えばＣＨＦ３を用いたドライエッチングにより熱酸化膜１２をエッチングする。それにより、図４（ｂ）の様にシリコンウェハ２０の光電変換素子２１に対応したマトリクス状の開口を有する熱酸化膜パターン１２ａを形成する。

（工程３）
熱酸化膜パターン１２ａ上に残っていたフォトレジストパターンを除去後に、熱酸化膜パターン１２ａをマスクとして、ＳＯＩ基板１０のシリコン層１０ａを、ボッシュ方式のエッチングにより、すなわち、エッチングとエッチング耐性を有する保護膜の形成を交互に行いシリコン層１０ａを選択エッチングする。それにより、図４（ｃ）の様に、シリコン層１０ａに、埋め込み酸化層１１に達する穴部１３を形成する。

これにより、シリコンウェハ２０の光電変換素子２１の位置に対応する位置に穴部１３を形成して成る壁マトリクス体１４を製造する。なお、ＳＯＩ基板１０から壁マトリクス体１４を形成する際に、ＳＯＩ基板１０のウェハの外周から少なくとも３ｍｍのシリコン層１０ａの領域をエッチングせずに残すことで、そのシリコン層１０ａの領域にウェハ外周枠部１６を形成する。

また、そのシリコン層１０ａのウェハ外周枠部１６の上面、あるいは下面に金属パターンで貼り合せ位置決め用パターン１７を形成する。その位置決め用パターン１７は、穴部１３を形成する以前に形成することができ、あるいは、穴部１３を形成した後で形成することもできる。

なお、シリコンウェハ２０の光電変換素子２１群で構成する固体撮像素子の領域の外に、ＳＯＩ基板１０のウェハ外周枠部１６と合わせる領域を残しておく。

壁マトリクス体１４の穴部１３は、ボッシュ方式のエッチング加工処理により、エッチングとエッチング耐性を有する保護膜の形成を交互に行うことにより、シリコン層１０ａに、エッチング進行方向に垂直な方向のサイドエッチングを抑えて、アスペクト比の高い断面形状の穴部１３を形成することができる。

すなわち、このボッシュ方式のエッチングにより、開口が矩形に近い（断面形状が矩形に近い）高アスペクト比の穴部１３を形成することができる。また、ボッシュ方式のエッチングにより、その穴部１３の壁面に小ピッチの溝構造１５を有する壁マトリクス体１４を製造することができる。

シリコン層１０ａの穴部１３とその外側の壁マトリクス体１４を形成するボッシュ方式のエッチング加工処理は、具体的には、以下の様に行う。例えば、以下の条件のプラズマエッチング処理１０秒とプラズマデポジション処理５秒のサイクルを繰り返してエッチング加工をする。

（プラズマエッチング処理）
（１）圧力：５０〜６０mTorr
（２）ＳＦ_６ガス流量：４００〜４５０scc/min
（３）Ｏ_２ガス流量：３５〜４０scc/min
（４）プラズマエッチング装置の電力：１５００〜２０００Ｗ

（プラズマデポジション処理）
（１）圧力：２０〜３０mTorr
（２）Ｃ_４Ｆ_８ガス流量：１５０〜２００scc/min
（３）プラズマエッチング装置の電力：１２００〜１７００Ｗ

この条件のボッシュプロセスによって埋め込み酸化層１１に達する穴部１３をエッチングすることで、図４（ｃ）の様に、穴部１３内の壁面に、すなわち、壁マトリクス体１４の遮光壁の側壁面に、１μｍ以下の小ピッチの、例えば６００ｎｍ程度の小ピッチの溝構造１５による段差が形成される。ＳＦ_６ガスによる横方向へのサイドエッチング量を多くすると、形成される小ピッチの溝構造１５の段差が大きくなる。

この壁マトリクス体１４の遮光壁が、個々の光電変換素子２１の領域を仕切り、隣接する光電変換素子２１の領域からのノイズ光Ｌ２を遮蔽する。

ノイズ光Ｌ２を遮蔽する際に、壁マトリクス体１４の遮光壁の側壁面に形成された小ピッチの溝構造１５の段差が光を散乱し吸収して、光の反射を防止する効果がある。

（工程４）シリコンウェハ２０への壁マトリクス体１４の接着
次に、図５（ｄ）の様に、光電変換素子２１を形成したシリコンウェハ２０の全体に十分な厚さの透明接着剤層３０を塗布する。透明接着剤層３０は、後に形成するカラーフィルタ層４０の下地面の平坦化を行う効果もある。

（工程５）
次に、図５（ｅ）の様に、透明接着剤層３０を塗布したシリコンウェハ２０上に、ＳＯＩ基板１０のウェハ外周枠部１６上の貼り合せ位置決め用パターン１７を参照して壁マトリクス体１４の位置を合わせて、シリコンウェハ２０上の透明接着剤層３０に壁マトリクス体１４を押し当てて貼り合わせ、ＳＯＩ基板１０の基板用シリコン層１０ｂを外側に向ける。

ＳＯＩ基板１０の壁マトリクス体１４をシリコンウェハ２０に貼り合わせる処理においては、貼り合わせの位置を合わせるための位置観測用のカメラは、シリコンウェハ２０及びＳＯＩ基板１０のシリコン層を透過する波長の赤外線を検出する赤外線顕微鏡カメラを用いる。撮影に用いる光は例えば波長が１．１μｍ〜２μｍ程度の赤外光を用いる。その波長帯ではシリコンが透明であり、かつ、光源が容易に入手できるためである。

その赤外線顕微鏡カメラを用いて、ウェハ外周枠部１６上の貼り合せ位置決め用パターン１７を観測して貼り合わせの位置合わせを行う為に、貼り合せ位置決め用パターン１７はＳＯＩ基板１０の表裏いずれの面に形成しておいても良い。観測用の赤外線は、ＳＯＩ基板１０及びシリコンウェハ２０のシリコン層を自由に透過するからである。

こうして、赤外線顕微鏡カメラを用いて貼り合せ位置決め用パターン１７を観測することで、ＳＯＩ基板１０の壁マトリクス体１４のシリコンウェハ２０への貼り合わせを高い位置精度で行うことができる効果がある。

ＳＯＩ基板１０のウェハの外周から少なくとも３ｍｍの領域に壁マトリクス体１４のウェハ外周枠部１６を設けることで、ＳＯＩ基板１０の壁マトリクス体１４をシリコンウェハ２０に貼り合わせる際の荷重ストレスによる壁マトリクス体１４の、高いアスペクト比で形成されている遮光壁の損傷不具合が低減できる。

すなわち、ＳＯＩ基板１０の壁マトリクス体１４のシリコンウェハ２０への貼り合わせの荷重の大部分を、壁マトリクス体１４のウェハ外周枠部１６が、シリコンウェハ２０に接して支えることで、高アスペクト比で形成した壁マトリクス体１４の高いアスペクト比で形成されている遮光壁に貼り合わせの荷重が集中することを防ぐことができる効果がある。

例えば、ＳＯＩ基板１０の面と光電変換素子２１を形成したシリコンウェハ２０の面が、異物や貼り合わせ装置の定盤の傾きなどの影響により傾いた位置関係にあっても、ＳＯＩ基板１０の壁マトリクス体１４のウェハ外周枠部１６が先にシリコンウェハ２０に接して荷重の大部分を支えることで、ＳＯＩ基板１０の面とシリコンウェハ２０の面の傾きを補正して、壁マトリクス体１４の遮光壁に貼り合わせの荷重が集中することを防ぐことができる。

また、このウェハ外周枠部１６に貼り合せ位置決め用パターン１７を設けることができるので、その貼り合せ位置決め用パターン１７を観察することで、ＳＯＩ基板１０の壁マトリクス体１４のシリコンウェハ２０への貼り合わせを高い位置精度で行うことができる効果がある。

また、ＳＯＩ基板１０のウェハの外周から少なくとも３ｍｍの幅を持つウェハ外周枠部１６を設け、シリコンウェハ２０の外周にも同じ幅のウェハ外周枠部を設けることで、ＳＯＩ基板１０やシリコンウェハ２０のウェハ外周枠部は、レジストで保護せずに機械的に（ドライエッチング装置のウェハ外周保護機構などを使用して）保護することができる。

そうすることで、ＳＯＩ基板１０やシリコンウェハ２０を保持するウェハカセットやロボットハンドに、ウェハ外周枠部を保護するレジストが付着することが無くなるので、ＳＯＩ基板１０やシリコンウェハ２０のハンドリングが容易になる効果がある。

（工程６）
次に、図６（ｆ）の様に、シリコンウェハ２０に貼り合わせた壁マトリクス体１４のＳＯＩ基板１０の基板用シリコン層１０ｂをドライエッチング又は研削研磨処理により除去し、ＳＯＩ基板１０の中間層の透明な埋め込み酸化層１１を露出させる。

（変形例１）
変形例１として、ＳＯＩ基板１０の基板用シリコン層１０ｂを除去する際に埋め込み酸化層１１も合わせて除去しても良い。

（工程７）
次に、図６（ｇ）の様に、シリコンウェハ２０に貼り合わされたＳＯＩ基板１０の埋め込み酸化層１１の上に、所定の色毎の着色感光性樹脂をパターン露光し現像するフォトリソグラフィー法を繰り返すことで光電変換素子２１に対応させたカラーフィルタ層４０の着色感光性樹脂のパターンを形成する。

（工程８）マイクロレンズの形成
次に、フォトリソグラフィー法で、光電変換素子２１に対応する位置に樹脂パターンを形成した後に、熱リフロー法で溶融樹脂の表面張力を利用して図６（ｈ）の様に、各光電変換素子２１に対応させてレンズ形状にしたマイクロレンズ５０を形成する。

こうして製造した固体撮像素子において、光電変換素子２１毎に穴部１３が配置されたシリコン材の壁マトリクス体１４が透明接着剤層３０で接着され、その壁マトリクス体１４の上にカラーフィルタ層４０が形成され、その上にマイクロレンズ５０を形成される。
そして、その壁マトリクス体１４の穴部１３の側壁部分である遮光壁が、隣の領域のマイクロレンズ５０から光電変換素子２１に入射する不要なノイズ光Ｌ２を遮断する効果がある。

また、隣の領域のマイクロレンズ５０からのノイズ光Ｌ２が壁マトリクス体１４の穴部１３の側壁部分である遮光壁に、水平面に近い角度の斜めに入射して遮光壁で反射してから光電変換素子２１に入射しようとする場合が考えられる。その場合にそのノイズ光Ｌ２は穴部１３を囲う遮光壁での反射を繰り返す必要があり、ノイズ光Ｌ２が遮光壁で反射する毎に、遮光壁の側壁面に形成された小ピッチの溝構造１５により散乱・吸収されて速やかに減衰するので、光電変換素子２１に入るノイズ光Ｌ２は微弱になる。

（工程９）
次に、マイクロレンズ５０が形成されたシリコンウェハ２０を個々の固体撮像素子に裁断する。

このように本実施形態では、壁マトリクス体１４で光電変換素子２１の領域を区画しているため、その上に形成するマイクロレンズ５０の位置精度の向上をはかることができる。それと共に、壁マトリクス体１４の垂直方向の高さの厚さを持つ透明接着剤層３０により、光電変換素子２１からマイクロレンズ５０までの距離を大きくし、マイクロレンズ５０の厚みを大きくする事と等価になる効果が得られる。

また、本実施形態では壁マトリクス体１４にＳＯＩ基板１０のシリコン層１０ａを用いているので、次のような効果も得られる。即ち、光電変換素子２１群を形成したウェハ２０と同種の形成材料を用いているので、ウェハ２０上に貼り合わせた場合に、温度変化に伴う反り変形を抑制することが可能である。ＳＯＩ基板１０のシリコン層１０ａは加工性に優れており、壁マトリクス体１４の垂直方向の高さはシリコン層１０ａの厚さで定まるが、その厚さの制御性も良いため、高精度に壁マトリクス体１４を作製することができる。

＜第２の実施形態＞
図７に本発明の第２の実施形態の固体撮像素子の部分側断面図を表す。第２の実施形態は、シリコンウェハ２０の光電変換素子２１を形成した面に、所定の厚さの壁マトリクス体用シリコンウェハ６０を透明接着剤３１で貼り合わせる。

そして、シリコンウェハ２０に貼り合わせた壁マトリクス体用シリコンウェハ６０に、個々の光電変換素子２１に対応させた穴部１３をエッチング加工することで壁マトリクス体１４を形成する。

第２の実施形態も、第１の実施形態と同様に、穴部１３をエッチング加工する際に、壁マトリクス体１４の穴部１３の側壁である遮光壁の側壁面に小ピッチの溝構造１５の段差を形成する。また、シリコンウェハ２０上に形成した壁マトリクス体１４の外側の壁マトリクス体用シリコンウェハ６０の外周から少なくとも３ｍｍの領域はエッチングせずに残して成るウェハ外周枠部１６を形成する。

次に、壁マトリクス体１４の間の穴部１３に透明樹脂７０を充填する。その透明樹脂７０の上面及び壁マトリクス体１４の上に光電変換素子２１の受光部の各々に対応して設けられたカラーフィルタ層４０と、その上のマイクロレンズ５０を設ける。

そのマイクロレンズ５０が入射光Ｌ１を集束させて光電変換素子２１に導く。一方、隣接するマイクロレンズ５０からの入射光をシリコンからなる遮光壁が遮蔽して光電変換素
子２１に入射しないようにする。

（製造方法）
第２の実施形態の固体撮像素子の製造工程を図８から図１０を参照して説明する。

（工程１）シリコンウェハ２０への壁マトリクス体用シリコンウェハ６０の接着
図８（ａ）の様に光電変換素子２１を形成したシリコンウェハ２０を用意し、図８（ｂ）の様に、シリコンウェハ２０の光電変換素子２１の面に、所定の厚さの壁マトリクス体用シリコンウェハ６０を透明接着剤３１で貼り合わせる。

（変形例２）
変形例２として、壁マトリクス体用シリコンウェハ６０の、透明接着剤３１でシリコンウェハ２０へ接着する面に予め熱酸化膜を形成しておき、その熱酸化膜を、穴部１３を形成するボッシュ方式のエッチングのエッチングストッパとして利用することもできる。

（工程２）壁マトリクス体１４の製造
次に、図８（ｃ）のように、壁マトリクス体用シリコンウェハ６０の表面に、エッチングマスクとなるシリコン酸化膜からなる熱酸化膜１２を２μｍ程度の膜厚で形成する。

（工程３）
次に、壁マトリクス体用シリコンウェハ６０の表面の熱酸化膜１２の面上にフォトレジストパターンを形成し、そのフォトレジストパターンをエッチングマスクとして、例えばＣＨＦ３を用いたドライエッチングにより、レンズ形成領域に対応するマトリクス状の矩形開口を有するパターンの熱酸化膜パターン１２ａを形成する。そして、フォトレジストパターンを除去して、図９（ｄ）の様に、熱酸化膜パターン１２ａのマスクを形成する。

（工程４）
次に、図９（ｅ）の様に、熱酸化膜パターン１２ａをマスクとして、壁マトリクス体用シリコンウェハ６０を、第１の実施形態と同様の加工条件のボッシュ方式のエッチングにより、すなわち、エッチングとエッチング耐性を有する保護膜の形成を交互に行う処理により選択エッチングして透明接着剤３１の層に達する穴部１３を形成した壁マトリクス体１４を形成する。

それにより、図９（ｅ）のように、壁マトリクス体１４の穴部１３の側壁である遮光壁の壁面に、１μｍ以下の小ピッチの、例えば６００ｎｍ程度の小ピッチの溝構造１５による段差が形成される。

なお、壁マトリクス体１４を形成する際に、ウェハ外周枠部１６のシリコン層１０ａをエッチングせずに残す。

（工程５）
次に、図１０（ｆ）の様に、壁マトリクス体１４の穴部１３に透明樹脂７０を充填する。透明樹脂７０の層は、後に形成するカラーフィルタ層４０の下地面の平坦化を行う効果もある。

（工程６）カラーフィルタ層４０の形成
次に、図１０（ｇ）の様に、透明樹脂７０の層の上にカラーフィルタ層４０を、着色感光性樹脂を所定の色に応じて選択し、パターン露光、現像を行い、残存した着色感光性樹脂膜を各色層とするフォトリソグラフィー法を繰り返すことにより、形成する。

（工程７）マイクロレンズ５０の形成
次に、図１０（ｈ）の様に、フォトリソグラフィー法で、光電変換素子２１およびカラーフィルタ層４０の各画素に対応する位置に樹脂パターンを形成した後に、熱リフロー法で溶融樹脂の表面張力を利用してレンズ形状としたマイクロレンズ５０を形成する。

（工程８）
次に、マイクロレンズ５０が形成されたシリコンウェハ２０を個々の固体撮像素子に裁断する。

第２の実施形態は、以上の製造方法の様に、シリコンウェハ２０に貼り合わせた壁マトリクス体用シリコンウェハ６０を加工して壁マトリクス体１４を製造するため、壁マトリクス体１４を製造した後にシリコンウェハ２０に貼り合わせる場合の壁マトリクス体１４の損傷が無い。それにより、固体撮像素子の製造品質を高くできる効果がある。

本発明は、以上の実施形態で説明した様に、シリコン層にボッシュ方式のエッチングで穴部１３を形成することで穴部１３間の側壁である遮光壁を形成した壁マトリクス体１４を形成する。そして、その遮光壁の水平方向の厚さを薄くし遮光壁の水平方向の厚さに対する垂直方向の高さの比であるアスペクト比を２．５以上１００以下に形成する。

そして、その壁マトリクス体１４を、その穴部１３をシリコンウェハ２０の光電変換素子２１に対向させて接着し、各々の光電変換素子２１を壁マトリクス体１４の穴部１３の側壁である遮光壁で区画する。

そして、その壁マトリクス体１４と、その穴部１３を充填した透明樹脂７０の上にカラーフィルタ層４０を形成し、その上にマイクロレンズ５０を形成して固体撮像素子を製造する。

特に、その遮光壁の側壁面には、ボッシュ方式のエッチングで形成した、１μｍ以下のピッチの小ピッチの溝構造１５を形成することを特徴とする。

１０・・・ＳＯＩ基板
１０ａ・・・シリコン層
１０ｂ・・・基板用シリコン層
１１・・・埋め込み酸化層
１２・・・熱酸化膜
１２ａ・・・熱酸化膜パターン
１３・・・穴部
１４・・・壁マトリクス体
１５・・・小ピッチの溝構造
１６・・・ウェハ外周枠部
１７・・・貼り合せ位置決め用パターン
２０・・・シリコンウェハ
２１・・・光電変換素子（センサアレイ）
３０・・・透明接着剤層
３１・・・透明接着剤
４０・・・カラーフィルタ層
５０・・・マイクロレンズ
６０・・・壁マトリクス体用シリコンウェハ
７０・・・透明樹脂
Ｌ１・・・正規な入射光
Ｌ２・・・ノイズ光

Claims (6)

1. シリコンウェハの光電変換素子を形成した面に、シリコン材に穴部が形成されて成る壁マトリクス体が、該穴部を前記光電変換素子に対向させて接着され、
   各々の前記光電変換素子が前記壁マトリクス体の穴部の側壁である遮光壁で区画され、
   該遮光壁のアスペクト比が２．５以上１００以下に形成され、
   前記穴部に透明樹脂が充填され、
   前記透明樹脂と前記壁マトリクス体の上にカラーフィルタ層が形成され、
   該カラーフィルタ層の上にマイクロレンズが形成され、
   前記穴部と前記カラーフィルタ層の間に埋め込み酸化層が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、前記遮光壁の側壁面に１μｍ以下０．１μｍ以上のピッチの小ピッチの溝構造が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
3. ＳＯＩ基板は基板用シリコン層に埋め込み酸化層を介してシリコン層が積層されてあり、
   ウェハ状の前記ＳＯＩ基板のシリコン層に穴部を形成することで該穴部間の側壁である遮光壁を形成した壁マトリクス体を形成する工程と、
   前記ＳＯＩ基板を、前記壁マトリクス体の前記穴部を光電変換素子が形成されたシリコンウェハの該光電変換素子に対向させて透明接着剤で接着する工程と、
   前記ＳＯＩ基板の基板用シリコン層を前記ＳＯＩ基板の埋め込み酸化層が露出するまで除去する工程と、
   前記壁マトリクス体と前記透明接着剤の層の上にカラーフィルタ層を形成する工程と、
   該カラーフィルタ層の上にマイクロレンズアレイを形成する工程を有し、
   前記壁マトリクス体を形成する工程において、前記遮光壁のアスペクト比を２．５以上１００以下に形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
4. 請求項３記載の固体撮像素子の製造方法であって、前記ＳＯＩ基板に前記壁マトリクス体を形成する工程において、前記シリコン層をボッシュ方式のエッチング加工処理することで前記穴部を形成し、前記遮光壁の側壁面に１μｍ以下０．１μｍ以上のピッチの小ピッチの溝構造を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
5. 請求項３又は４に記載の固体撮像素子の製造方法であって、前記ウェハ状のＳＯＩ基板に前記壁マトリクス体を形成する工程において、前記ウェハ状のＳＯＩ基板の外周から３ｍｍ以上の幅の前記シリコン層をエッチングせずに残したウェハ外周枠部を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
6. 請求項５記載の固体撮像素子の製造方法であって、前記ＳＯＩ基板に壁マトリクス体を形成する工程が、前記ウェハ外周枠部に貼り合せ位置決め用パターンを金属で形成する工程を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。