JP5077310B2 - 裏面照射型固体撮像装置および裏面照射型固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板の一方面に信号回路を形成し、半導体基板の他方面から受光を行う裏面照射型固体撮像装置および裏面照射型固体撮像装置の製造方法に関する。

半導体基板の一方面に信号回路を設け、他方面から受光を行ういわゆる裏面照射型固体撮像装置は、受光面側にアルミニウム等の信号配線がないことから、減衰および蹴られ等の影響を受けずに受光量を増加できるメリットや、蹴られた光の一部が隣接画素に入る混色を防止できるメリットがある（例えば、特許文献１参照。）。

このような固体撮像装置を製造するには、ウエハ状のＳＯＩ基板の活性層に受光領域および信号回路を形成し、このＳＯＩ基板の支持基板側をエッチング除去することで受光領域を露出させ、この面を光入射面として反射防止膜を成膜する。そして、受光領域の面から信号回路に電極取り出しのための数μｍ程度の穴を開口する。その後、電極取り出し部に１μｍ程度のレジストを塗布する。次に、光入射面にオンチップ・カラーフィルタを作成し、その後オンチップ・マイクロレンズの下地として別のレジストを塗布し、その上にレンズ形状のレジストを作成する。最後にウエハ全面をエッチングし、下地であったレジスト部分にオンチップ・マイクロレンズを形成する。その時、同時に電極取り出し部を覆っていたレジストをエッチングして電極取り出し部を開口している。

特開２００３−２７３３４３号公報

しかしながら、このような製造方法では、受光領域の面から信号回路に電極取り出しのための穴を開口し、その後にレジストを塗布して露光、現像を行うため、開口の大きな段差があるところにレジストを塗布しなければならず、ウエハ面内でレジストの塗布ムラが生じ、オンチップ・カラーフィルタやオンチップ・マイクロレンズの形状がばらつくという問題や、エッチング時の電極取り出し部の金属配線残膜がばらついて電極取り出しが行えない開口が発生するという問題が生じる。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、受光領域を形成した半導体基板の一方面に層間膜を介して信号回路を形成し、他方面側から受光領域に光を取り込む裏面照射型固体撮像装置において、半導体基板の一方面の側から前記他方面の側にかけて信号回路との導通を得るための電極取り出し用開口を有し、信号回路との導通を得るための開口に、信号回路と導通する金属膜が設けられている裏面照射型固体撮像装置である。

また、本発明は、受光領域を形成した半導体基板の一方面に第一の絶縁膜を形成する工程と、第一の絶縁膜を貫通して半導体基板の一方面まで達するコンタクトを形成する工程と、コンタクトと導通する信号回路を半導体基板の一方面に形成する工程と、半導体基板の他方面を除去して受光領域を露出させる工程と、半導体基板の他方面からコンタクトまで達し、信号回路との導通を得るための開口を形成し、この電極取り出し用開口にコンタクトと導通する金属膜を形成する工程とを有する裏面照射型固体撮像装置の製造方法である。

このような本発明では、半導体基板の一方面に第一の絶縁膜を介して信号回路を形成するにあたり、予め第一の絶縁膜を貫通するコンタクトを設けておき、このコンタクトと信号回路とを導通させているため、半導体基板の他方面から前記信号回路との導通を得るための開口を設ける際には半導体基板の一方面まで開口を設ければコンタクトが露出し、信号回路との導通を得ることができる。つまり、半導体基板の他方面から信号回路との導通を得るための開口を設ける場合には半導体基板の厚さ分だけの段差で済むことになる。

したがって、本発明によれば、半導体基板の一方面に信号回路、他方面を受光側とするいわゆる裏面照射型の固体撮像装置において、基板の他方面から信号回路に電極取り出し用開口を設けても、その開口による段差を半導体基板の厚さ分だけにすることができ、開口形成後に行うレジスト塗布の平坦性を向上させることが可能となる。これにより、この感光性材料を用いて形成する光学部材を精度良く製造でき、固体撮像装置の信頼性を向上することが可能となる。

本実施形態に係る固体撮像装置を説明する模式断面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その１）である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その２）である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その３）である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その４）である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その５）である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その６）である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その７）である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その８）である。 本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図（その９）である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。本実施形態に係る固体撮像装置は、受光領域であるフォトダイオードを形成した半導体基板の一方面に信号回路を形成し、他方面側からフォトダイオードに光を取り込むいわゆる裏面照射型の固体撮像装置（例えば、ＣＭＯＳセンサー）に関する。特に、裏面照射型の固体撮像装置では、光の入射面側のフォトダイオードが配置され、その下方に信号回路が設けられることから、製造工程中に信号回路との電極取り出し用の開口を形成する必要がある。本実施形態では、このような開口による段差がその後の製造工程に与える影響を抑制し、精度の高い固体撮像装置を提供できるようにすることを目的としている。

具体的には、電極取り出し用開口を設けた状態で基板全面にレジストを塗布するとこの開口の段差の影響を受けてレジスト塗布後の平坦性が損なわれるため、このレジストを露光、現像して形成するフォトダイオード上の光学部材（例えば、オンチップ・カラーフィルタやオンチップ・マイクロレンズ）の精度に悪影響を及ぼすことになる。本実施形態では、光学部材を作成する前に行う開口の形成深さを極力少なくし、開口による段差の影響を抑制する点に特徴がある。

図１は、本実施形態に係る固体撮像装置を説明する模式断面図である。すなわち、この固体撮像装置は、受光領域であるフォトダイオード２０を形成した半導体基板（ここではＳＯＩ活性層１２）の一方面（図中下側）に層間膜３０を介して信号回路２２を形成し、他方面（図中上側）からフォトダイオード２０に光を取り込むいわゆる裏面照射型のＣＭＯＳセンサーであり、ＳＯＩ活性層１２の他方面から信号回路２２との導通を得るための電極取り出し用開口２３が設けられ、この電極取り出し用開口２３に形成される金属膜２６に例えばボンディングワイヤーを接続することでＳＯＩ活性層１２の他方面（裏面）側からの信号配線を行うことができるようになっている。

このような裏面照射型のＣＭＯＳセンサーにおいて本実施形態では、電極取り出し用開口２３に設けられる金属膜２６と、層間膜２６を介して形成される信号回路２２との間に、層間膜３０を貫通する状態で接続されるコンタクト６０が設けられている点に特徴がある。

従来の裏面照射型のＣＭＯＳセンサーでは、ＳＯＩ活性層１２の裏面側から信号配線を行うための電極取り出し用開口２３として、ＳＯＩ活性層１２の裏面から層間膜３０までを除去し、層間膜３０内の信号回路２２を露出させる深さで形成している。このような深さまで電極取り出し用開口２３を形成すると、この開口による段差の影響で開口形成後に行うレジスト塗布の平坦性が損なわれてしまう。また、電極取り出し用開口２３によって信号回路２２を露出させることから、開口の深さ制御が重要となる。しかし、信号回路２２の厚さは非常に薄いことから、開口深さがわずかでも浅いと信号回路２２が露出せず、反対にわずかでも深いと信号回路２２まで削除してしまう恐れがある。

本実施形態では、信号回路２２の形成工程で、予めＳＯＩ活性層１２の一方面から信号回路２２に達するまでのコンタクト６０を形成しているため、後の工程で電極取り出し用開口２３を形成する際には、このコンタクト６０が露出するまで開口を設ければよいことになる。したがって、ＳＯＩ活性層１２の一方面から信号回路２２までの深さ分だけ従来より開口を浅く形成でき、その後のレジスト塗布工程では開口の段差による影響を軽減できる。これにより、塗布したレジストを用いて形成するオンチップ・カラーフィルタＣＬやオンチップ・マイクロレンズＭＬといった光学部材を精度良く製造することが可能となる。また、電極取り出し用開口２３を形成する際には、コンタクト６０の高さ分だけ開口深さの制御に余裕ができ、信号回路２２との確実な導通を得ることが可能となる。

次に、この固体撮像装置の製造方法を順に説明する。図２〜図１０は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を順に説明する模式断面図である。先ず、図２に示すように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）支持基板１０とＳＯＩ活性層１２とが１μｍ厚程度の熱酸化膜から成るＳＯＩ・Ｂｏｘ層１１を介して貼り合わされたＳＯＩ基板を用意し、ＳＯＩ活性層１２にフォトダイオード２０を形成する。また、このフォトダイオード２０の上方に層間膜３０を介してトランジスタ２１を形成するとともに、複数層から成る信号回路２２を形成する。これら信号回路２２やトランジスタ２１を形成した後は、パッシベーション膜３１を形成して保護する。

図３は、図２におけるＡ部を拡大した模式断面図である。信号回路２２としては第１メタル層Ｍ１、第２メタル層Ｍ２および第３メタル層Ｍ３から成る３層構造となっている。本実施形態では、フォトダイオード２０を形成した後、ＳＯＩ活性層１２の上に形成する第１メタル層Ｍ１とＳＯＩ活性層１２との間に層間膜３０を貫通する状態でコンタクト６０を形成する。

コンタクト６０は、フォトダイオード２０やトランジスタ２１と信号回路２２との間に形成するコンタクトと同じ工程で、必要に応じて複数本形成する。コンタクト６０の材質としては、例えばタングステンを用い、ダマシン法等によって形成する。つまり、ＳＯＩ基板を用いる場合には、貼り合わせ部分の耐熱温度を超えないで形成でき、しかも所定の導通性を得られる材質でコンタクト６０を形成する必要があるため、その一例としてタングステンを用いている。各コンタクトは接続対象との間で直接接続するようにしても、シリサイドを介して接続するようにしてもよい。

次に、図４に示すように、フォトダイオード２０および信号回路２２等を形成したＳＯＩ基板のパッシベーション膜３１の上に接着層５０を形成し、シリコン等から成る支持基板４０を貼り合わせる。貼り合わせると図５に示すような状態となる。

次いで、貼り合わせた基板を反転し、支持基板４０を土台としてＳＯＩ支持基板１０およびＳＯＩ・Ｂｏｘ層１１をエッチングにより除去する。除去すると、図６に示すようにＳＯＩ活性層１２に形成したフォトダイオード２０が表面に露出する状態となる。

次に、図７に示すように、フォトダイオード２０が露出したＳＯＩ活性層１２の上に反射防止膜７０を形成する。反射防止膜７０は数ｎｍの厚さで、必要に応じて複数層形成する。その後、フォトダイオード２０が形成されている周辺のＳＯＩ活性層１２に電極取り出し用の開口２３をエッチングによって形成する。電極取り出し用開口２３は数十μｍ□の大きさから成り、この開口形成によってコンタクト６０が露出する状態となる。電極取り出し用開口２３を形成した後は、開口側壁に保護膜２４を形成しておく。

次に、図８に示すように、形成した電極取り出し用開口２３の内面に金属膜２６を形成する。この金属膜２６の形成は、フォトダイオード２０の一部に形成する遮光膜２５の形成と同時に行う。つまり、遮光膜２５を形成する際、同じ材料で電極取り出し用開口２３に金属膜２６を形成する。金属膜２６はコンタクト６０と導通する状態に形成される。遮光膜２５および金属膜２６は例えばＡｌＣｕを用いる。

次に、図９に示すように、金属膜２６の保護のために第１のレジストＲ１を形成し、その後、各フォトダイオード２０の上に対応してオンチップ・カラーフィルタＣＦを形成する。ここでは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に対応したオンチップ・カラーフィルタＣＦをフォトダイオード２０の位置に合わせて形成する。このオンチップ・カラーフィルタＣＦは、各色の順にレジストを塗布し、露光、現像を行うことで形成されるが、このレジスト塗布を行う際、先の工程で電極取り出し用開口２３の深さがＳＯＩ活性層１２の深さで済み、さらに金属膜２６および第１のレジストＲ１が形成されていることから、開口段差による影響を抑制でき、レジストを平坦に塗布できる。したがって、このレジストを露光、現像して形成されるオンチップ・カラーフィルタＣＦを精度良く製造することが可能となる。

次に、オンチップ・カラーフィルタＣＦの上を含む全面に第２のレジストＲ２を塗布し、第１のレジストＲ１の上方を露光、現像して除去しておく。この第２のレジストＲ２は、後の工程でオンチップ・マイクロレンズとなるものである。この第２のレジストＲ２を塗布する際にも、先と同様に、電極取り出し用開口２３の段差の影響が抑制されていることから、オンチップ・マイクロレンズを形成するためのレジスト塗布を均一に行うことができるようになる。したがって、このレジストを用いたオンチップ・マイクロレンズを精度良く製造することが可能となる。なお、第１のレジストＲ１の上方となる第２のレジストＲ２を開口しておく際には、第１のレジストＲ１と同じ大きさではなく、多少小さめの開口にしておく。

第２のレジストＲ２を塗布した後は、第２のレジストＲ２上でオンチップ・カラーフィルタＣＦと対応する位置に第３のレジストＲ３を塗布し、この第３のレジストＲ３を露光、現像、キュアすることでオンチップ・マイクロレンズの形状を構成する。

図１０は、基板全面に対するエッチングを行った後の状態を示している。第３のレジストＲ３をオンチップ・マイクロレンズの形状に構成した状態で全面エッチングを行うと、第３のレジストＲ３で形成したオンチップ・マイクロレンズの形状が第２のレジストＲ２に転写され、第２のレジストＲ２によってオンチップ・マイクロレンズＭＬが形成される。

また、このエッチングによって第２のレジストＲ２に設けた開口を介して第１のレジストＲ１が除去され、電極取り出し用開口２３を介して金属膜２６の表面が露出する状態となる。つまり、図９に示す段階で第２のレジストＲ２における第１のレジストＲ１の上方を開口していることから、上記の全面エッチングによってオンチップ・マイクロレンズＭＬの形成とともに、金属膜２６上に形成されていた第１のレジストＲ１を同時に除去できることになる。なお、第２のレジストＲ２の開口の大きさに合わせて第１のレジストＲ１が除去されるため、電極取り出し用開口２３の内壁にはわずかに第１のレジストＲ１が残る状態となる。

第１のレジストＲ１が除去された電極取り出し用開口２３の金属膜２３はパッドとなり、例えばボンディングワイヤーを接続することによって信号配線２２との電気的な導通を得ることが可能となる。電極取り出し用開口２３を介したボンディングワイヤーの接続では、電極取り出し用開口２３の内壁が第１のレジストＲ１によって保護されているため、ボンディングワイヤーとＳＯＩ活性層１２との直接の接触を防止することができる。

このような製造方法によって完成した固体撮像装置では、裏面照射型でありながら大きな電極取り出し用開口２３の段差によるレジスト塗布時の影響を抑制し、高精度なオンチップ・カラーフィルタＣＦやオンチップ・マイクロレンズＭＬを形成することが可能となる。

また、図９に示す段階で電極取り出し用開口２３に設けた金属膜２６の表面に第１のレジストＲ１を形成しているため、その後の構成で金属膜２６が薬液等と接触することを防止でき、金属膜２６の腐食等の問題を回避することも可能である。

１０…ＳＯＩ支持基板、１１…ＳＯＩ・Ｂｏｘ層、１２…ＳＯＩ活性層、２０…フォトダイオード、２１…トランジスタ、２２…信号回路、２３…電極取り出し用開口、３０…層間膜、３１…パッシベーション膜、６０…コンタクト、ＣＦ…オンチップ・カラーフィルタ、ＭＬ…オンチップ・マイクロレンズ、Ｒ１…第１のレジスト、Ｒ２…第２のレジスト、Ｒ３…第３のレジスト

Claims (8)

1. 受光領域を形成した半導体基板の一方面に層間膜を介して信号回路を形成し、他方面側から前記受光領域に光を取り込む裏面照射型固体撮像装置において、
   前記半導体基板の前記一方面の側から前記他方面の側にかけて前記信号回路との導通を得るための開口を有し、
   前記信号回路との導通を得るための開口に、前記信号回路と導通する金属膜が設けられている
   裏面照射型固体撮像装置。
2. 前記信号回路との導通を得るための開口は、前記受光領域と同層の前記半導体基板を開口したものである
   請求項１記載の裏面照射型固体撮像装置。
3. 前記信号回路との導通を得るための開口の側壁は絶縁膜で覆われている
   請求項１または２記載の裏面照射型固体撮像装置。
4. 前記絶縁膜の上に他の絶縁膜が形成され、当該他の絶縁膜の上であって前記受光領域と対応する位置に光学部材が形成されている
   請求項３記載の裏面照射型固体撮像装置。
5. 前記半導体基板の一方面側に支持基板が貼り合わされている
   請求項１から４のうちいずれか１項に記載の裏面照射型固体撮像装置。
6. 受光領域を形成した半導体基板の一方面に第一の絶縁膜を形成する工程と、
   前記第一の絶縁膜を貫通して前記半導体基板の一方面まで達するコンタクトを形成する工程と、
   前記コンタクトと導通する信号回路を前記半導体基板の一方面に形成する工程と、
   前記半導体基板の他方面を除去して前記受光領域を露出させる工程と、
   前記半導体基板の他方面から前記コンタクトまで達し、前記信号回路との導通を得るための開口を形成し、この開口に前記コンタクトと導通する金属膜を形成する工程と
   を有することを特徴とする裏面照射型固体撮像装置の製造方法。
7. 前記開口の側壁に第二の絶縁膜を形成する工程を有する
   請求項６記載の裏面照射型固体撮像装置の製造方法。
8. 前記第二の絶縁膜の上に第三の絶縁膜を形成し、当該第三の絶縁膜の上であって前記受光領域と対応する位置に光学部材を形成する工程を有する
   請求項７記載の裏面照射型固体撮像装置の製造方法。

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