JP6921486B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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固体撮像素子上の光電変換素子は、一般的に、pn接合によるシリコンフォトダイオードで形成される。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。
一方、特許文献2には、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の固体撮像素子が開示されている。
前記光反射構造は、前記半導体層側に平面を有する複数の半球を有する光透過層、前記光透過層の複数の前記半球の表面を一体に覆う反射金属及び前記反射金属とは異なる材料で形成された平坦化層を有し、かつ前記光反射構造は、前記光電変換素子の下部に位置し、前記半球のそれぞれが複数の前記光電変換素子に対応して複数配列されていることを特徴とする。
図1は、本発明の一実施形態である固体撮像素子の概略構造の一例を説明するための断面図である。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と、二次元状に配列された複数の光電変換素子21を有する半導体層20と、半球形状の光透過層11、光透過層11を覆う反射金属12及び平坦化層13を有する光反射構造14と、を備えている。光反射構造14は、光電変換素子21の下部に位置し、半導体層20の表面に二次元配置された複数の光電変換素子21に対応して複数配列されている。
また、本実施形態の固体撮像素子は、光電変換素子21上に設けられた層間絶縁層22と、層間絶縁層22内に配置された配線23と、層間絶縁層22上に設けられたカラーフィルタ24と、カラーフィルタ24上に設けられたマイクロレンズ25を備えている。なお、本実施形態では、固体撮像素子の支持基板10側を下、マイクロレンズ25側を上として説明する。
支持基板10は、例えば石英又はシリコンを含むことが好ましい。具体的には、支持基板10としては、例えば石英基板又はp型もしくはn型のシリコン基板が用いられることが好ましい。
光反射構造14を構成する光透過層11は、半導体層20側に平面を有するように配置された半球形状を有している。光透過層11は、光反射構造14にて反射した入射光を反射金属12で反射させて、光電変換素子21の中心部に集光させるための層である。
光透過層11は、可視光に対し透明性を有し、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、非ドープ型窒化シリコン又は非ドープ型酸化シリコン等の材料により形成されることが好ましい。
反射金属12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の、高い反射率を有する金属薄膜により形成されることが好ましい。また、反射金属12は、固体撮像素子の製造工程で高温に晒されるため、少なくとも500℃以上600℃以下の熱処理によって溶融しない耐熱性の高い材料により形成されることが好ましい。
平坦化層13は、透明性を有する必要はないが、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により形成されることが好ましい。
また、光反射構造14の光透過層11及び反射金属12は半球形状を有している。このため、光反射構造14で反射した光は、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。そのため、隣接する画素の光電変換素子21に反射光が入射することによる混色を引き起こすおそれが無い。さらに、本実施形態の固体撮像素子において、支持基板の裏面には特に素子を形成しないため、製造工程中にステージ上に基板を直接置くことが可能であり、基板の取扱い(ハンドリング)が容易となる。
図1に示した本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法について図2から図13を用いて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する製造方法に限定されるものではない。
まず、半導体基板26に対して、後の工程で半導体層20を形成するための前工程を行う。半導体基板26は後の工程で支持基板10と貼り合わせた後、半導体部分を薄く加工することで、半導体層20にするためのp型もしくはn型シリコン基板である。
最初に、前工程として、半導体基板26に対して水素イオンを注入し、水素注入界面を形成しておく。この前工程を実施することで、後の工程で半導体基板26上に光反射構造14を形成し、光反射構造14に対して支持基板10を貼り付けた後に、熱または物理的刺激を与えることで、水素注入界面から半導体基板26が剥離し、半導体層20を形成することができる。
光透過層11は、可視光に対し透明性を有し、高温環境に対して耐性がある、窒化シリコン又は非ドープ型酸化シリコン等の材料により形成されることが好ましい。また、光透過層11は、常圧CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)、PE−CVD(Plasma Enhanced - CVD)等の方法により成膜することができる。
次に、半球形状のフォトレジスト15をドライエッチング用マスクとしてドライエッチング処理を行う。これにより、図6に示すようにフォトレジスト15の半球形状を光透過層11の材料膜に転写して、半球形状の光透過層11を形成することができる。
次に、図8に示すように反射金属12上に平坦化層13を成膜することで、光透過層11の加工で生じた表面の凹凸を平坦化する。なお、平坦化層13を成膜しても表面の凹凸の緩和が不十分である場合には、CMP(Chemical Mechanical Polishing)等の研磨手段により基板表面をより平坦化してもよい。
層間絶縁層22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により形成されることが好ましい。また、層間絶縁層22は、常圧CVD、PE−CVD等の方法によって成膜される。配線23は、アルミニウム、銅、クロム、およびそれら合金等により形成されることが好ましい。こ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12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。
さらに、配列の一部に屈折率を調整した透明層をカラーフィルタとして配置してもよい。この場合、カラーフィルタ24の上面に平坦化層を形成する際にはそれと同時に、又はマイクロレンズを形成する際に同時に、屈折率を調整した透明層を作製してもよい。
半導体基板である厚さ0.6mmのp型のシリコン基板に対して、高エネルギーイオン注入装置を用いて、ドーズ量7.0×1016ions/cm2、注入エネルギー500keVの条件で水素イオンを注入した。
半導体基板の表面に、常圧CVDによって窒化シリコン膜を成膜した。次に、窒化シリコン膜表面にフォトレジストをスピンコーターで塗布し、露光、現像を行うことで、光反射構造を形成するための円柱状のフォトレジストパターンを形成した。続いて、円柱状のフォトレジストパターンを有する半導体基板を230℃のホットプレートで加熱することで、パターニングしたフォトレジストを熱リフローさせ半球形状のレジストパターンを形成した。
続いて、スパッタリングにより光透過層11の表面(曲面)にアルミニウム薄膜を成膜することで、反射金属12を形成した。さらに、光透過層11の表面(曲面)上に常圧CVDによって非ドープ型酸化シリコン膜を成膜し、成膜後表面をCMPによって研磨して表面を平滑化させることで平坦化層を形成した。以上の工程により半導体基板上に光反射構造を形成した。
支持基板となる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、支持基板のオゾン処理面を半導体基板の光反射構造を形成した側の面に貼り付けた。
支持基板と半導体基板を貼り合わせた後、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を熱剥離させた。これにより、支持基板10上には半導体薄膜が残留した。次に、CMPによって半導体薄膜の表面を研磨し、表面を平滑化することで膜厚4μmの半導体層を形成した。なお、半導体層の膜厚は、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)等により固体撮像素子の断面を観察することにより確認することができる。
次に、CMOS製造プロセスにより、半導体層上に光電変換素子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。
光電変換素子及びその他の素子を形成後、配線を形成した。また、各配線層間に層間絶縁層を形成した。層間絶縁層は、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。
マイクロレンズを形成した後、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、固体撮像素子を得た。
11 光透過層
12 反射金属
13 平坦化層
14 光反射構造
15 フォトレジスト
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
25 マイクロレンズ
26 半導体基板
Claims (3)
- 支持基板と、
前記支持基板上に形成された、二次元状に配列された複数の光電変換素子を有する半導体層と、
前記支持基板と前記半導体層との間に設けられた光反射構造と、
を備え、
前記光反射構造は、前記半導体層側に平面を有する複数の半球を有する光透過層、前記光透過層の複数の前記半球の表面を一体に覆う反射金属及び前記反射金属とは異なる材料で形成された平坦化層を有し、
かつ前記光反射構造は、前記光電変換素子の下部に位置し、前記半球のそれぞれが複数の前記光電変換素子に対応して複数配列されている固体撮像素子。 - 前記光透過層は、非ドープ型窒化シリコン又は非ドープ型酸化シリコンを含む
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記支持基板は、石英又はシリコンを含む
請求項1又は2に記載の固体撮像素子。
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