(57)【要約】【課題】簡易なプロセスで光学特性の信頼性を向上できる光学デバイスおよびその製造方法を提供する。【解決手段】複数の素子を備える半導体基板層と、前記半導体基板層の第１の主面側に形成され、入射される光の所望の波長の光を透過する１以上の光学部品と、前記半導体基板層の前記第２の主面方向に形成され、導電体を含む配線層とを備え、前記半導体基板層には、前記１以上の光学部品のそれぞれと対応する位置にあり前記第１の主面側と反対となる前記半導体基板層の第２の主面側から前記第１の主面に達する光電変換素子領域と、前記第２の主面近傍に１以上の素子とが形成され、前記光学部品の少なくとも一部は、前記半導体基板層を母材として形成され、前記配線層は、前記光電変換素子領域および前記素子それぞれと電気的に接続する導電体を含めて形成されていることを特徴とする。【選択図】図２
2010161321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素子を備える半導体基板層と、
前記半導体基板層の第１の主面側に形成され、入射される光の所望の波長の光を透過させる１以上の光学部品と、
前記第１の主面側と反対となる前記半導体基板層の第２の主面方向に形成され、導電体を含む配線層とを備え、
前記半導体基板層には、前記１以上の光学部品のそれぞれと対応する位置にあり前記半導体基板層の前記第２の主面側から前記第１の主面に達する光電変換素子領域と、前記半導体基板層の前記第２の主面近傍に１以上の素子とが形成され、
前記光学部品の少なくとも一部は、前記半導体基板層を母材として形成され、
前記配線層は、前記光電変換素子領域および前記素子それぞれと電気的に接続する導電体を含めて形成されている
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
前記光学部品は、所望の波長に対応する曲面が形成されたレンズである
ことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記光学部品は、所望の波長に対応するようイオン基を注入して形成されたカラーフィルタである
ことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記光学部品は、所望の波長に対応するよう微細な段差が形成され、前記段差が形成された前記第１の主面上に薄層を形成されたカラーフィルタである
ことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項５】
前記光学部品は、同心円状に放物線状の濃度勾配を有するように所望の波長に対応するイオン基を注入することで形成されたレンズである
ことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項６】
前記光学部品は、所望の波長に対応するよう微細な段差と間隔とを有する凹凸が形成されたカラーフィルタである
ことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項７】
前記光学部品は、所望の波長に対応するよう微細な段差と間隔とを有する同心円状の凹凸が形成されたレンズである
ことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項８】
前記同心円状の凹凸の幅は、中心側に比べ外側ほど次第に細くなっている
ことを特徴とする請求項７に記載の光学デバイス。
【請求項９】
前記同心円状の凹凸の段差は、中心側に比べ外側ほど次第に低くなっている
ことを特徴とする請求項７に記載の光学デバイス。
【請求項１０】
前記光学デバイスは、前記光電変換素子領域および前記素子が集積される光学素子集積領域を有し、
前記光学素子集積領域における互いに隣接する前記光学部品の境界領域を遮光するトレンチが前記半導体基板層内の前記第１の主面側に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項１１】
前記光学デバイスは、さらに、
前記配線層の少なくとも前記１以上の光学部品のそれぞれに対応する領域に遮光構造が形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項１２】
前記光学デバイスは、前記光電変換素子領域および前記素子が集積される光学素子集積領域を有し、
前記遮光構造は、前記光学素子集積領域を水平方向に１つ以上に分割する領域に対応した遮光膜により構成される
ことを特徴とする請求項１１に記載の光学デバイス。
【請求項１３】
前記遮光構造は、前記導電体と同一の構造材で形成されている
ことを特徴とする請求項１１に記載の光学デバイス。
【請求項１４】
前記配線層は、複数の層間膜が積層された多層配線構造を有しており、
前記遮光構造は、前記多層配線構造のうち２層以上の層間膜に形成された前記導電体からなる遮光膜により構成されている
ことを特徴とする請求項１３に記載の光学デバイス。
【請求項１５】
前記遮光構造は、
前記光電変換素子領域と対応する位置に、前記光電変換素子領域が水平方向に占める面積である占有面積と同等以上の占有面積を有する遮光膜により構成されている
ことを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載の光学デバイス。
【請求項１６】
前記遮光構造は、
前記光電変換素子領域と対応する位置に、前記光電変換素子領域が水平方向に占める面積である占有面積と同程度の占有面積を有するよう形成された第１の遮光膜と、
前記第１の遮光膜の周縁に形成された第２の遮光膜とにより構成される
ことを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載の光学デバイス。
【請求項１７】
前記配線層は、複数の層間膜が積層された多層配線構造を有しており、
前記第２の遮光膜は、前記配線層が有する複数の層間膜のうち前記第１の遮光膜とは異なる層間膜に形成され、
前記第１の遮光膜と前記第２の遮光膜とは、前記層間膜の垂直方向の位置関係において前記第１の遮光膜の周縁部と前記第２の遮光膜の１部とが重なるように形成されている
ことを特徴とする請求項１６に記載の光学デバイス。
【請求項１８】
前記配線層は、複数の層間膜が積層された多層配線構造を有しており、
前記遮光構造は、第１の遮光膜と第２の遮光膜とにより構成され、
前記第１および第２の遮光膜は、前記複数の層間膜のうち互いに異なる層間膜に形成された複数の遮光膜であり、前記光電変換素子と対応する位置では、前記複数の層間膜の垂直方向の位置関係において互いに重なるように形成され、
前記第１および第２の遮光膜のそれぞれが前記複数の層間膜の水平方向に占める領域は、前記光電変換素子が前記複数の層間膜の水平方向に占める領域よりも小さい
ことを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載の光学デバイス。
【請求項１９】
前記配線層は、１以上の構成膜が積層されて形成されており、
前記遮光構造は、前記１以上の構成膜の少なくとも１つに着色材料を用いて形成される
ことを特徴とする請求項１１に記載の光学デバイス。
【請求項２０】
前記光学デバイスは、さらに、
前記半導体基板層の第１の主面側の表面に形成された接着層と、
前記接着層を介して接着され、光を透過する透光性基板とを備える
ことを特徴とする請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載の光学デバイス。
【請求項２１】
前記透光性基板は、無機材料を用いて形成されており、
前記接着層は、前記透光性基板と主成分が類似した無機材料を用いて形成されている
ことを特徴とする請求項２０に記載の光学デバイス。
【請求項２２】
前記光学デバイスは、さらに、
前記導電体と電気的に接続される他の導電体を含む１層以上の応力緩和層からなり、前記配線層における前記半導体基板層の第２の主面方向の表面に形成される再配線層と、
前記再配線層に形成され、前記他の導電体と電気的に接続される外部端子とを備える
ことを特徴とする請求項１から請求項２１のいずれか１項に記載の光学デバイス。
【請求項２３】
請求項１に記載の光学デバイスの製造方法であって、
半導体からなり前記半導体基板層の母材となる基板の第１の主面側表面に接着層を形成し、前記接着層を介して前記基板を支持する支持基板を形成する工程と、
当該基板の第１の主面側と反対となる前記基板の第２の主面側の基材を除去して所望の厚みに薄厚化する工程を経ることにより前記半導体基板層を形成する工程と、
前記半導体基板層の第２の主面方向に、導電体を含む配線層を形成する工程とを含む
ことを特徴とする光学デバイスの製造方法。
【請求項２４】
さらに、
前記支持基板を形成する工程の前に、入射される光の所望の波長の光を透過させる１以上の光学部品を、前記基板の第１の主面側に形成する工程を含み、
前記半導体基板層を形成する工程では、前記１以上の光学部品のそれぞれと対応する位置で、前記半導体基板層の第２の主面側から第１の主面に達する光電変換素子領域を形成する工程と、前記半導体基板層の第２の主面近傍に１以上の素子を形成する工程とを含み、
前記配線層を形成する工程では、前記導電体は、前記光電変換素子領域および素子それぞれと電気的に接続するよう形成され、
前記光学部品を形成する工程では、前記光学部品の少なくとも一部を、前記半導体基板層を母材として形成する
ことを特徴とする光学デバイスの製造方法。
【請求項２５】
前記接着層および前記支持基板は、無機材料からなる
ことを特徴とする請求項２３又は請求項２４に記載の光学デバイスの製造方法。
【請求項２６】
前記支持基板は、光を透過する透光性基板である
ことを特徴とする請求項２３から請求項２５のいずれか１項に記載の光学デバイスの製造方法。
【請求項２７】
前記導電体は、その一端が電極パッドとなるよう前記配線層の表面から露出して形成される
ことを特徴とする請求項２３から請求項２６のいずれか１項に記載の光学デバイスの製造方法。
【請求項２８】
前記基板の第２の主面側の基材を除去して所望の厚みに薄厚化する工程は、
前記基板の第２の主面側の基材を砥石により研磨することにより薄厚化する工程と、
前記薄厚化する工程において研磨された研磨面をソフトエッチングすることにより研磨されてダメージを受けた前記基板の第２の主面側の層を除去し、前記半導体基板層となる前記第２の主面を露出する工程とを含む
ことを特徴とする請求項２３から請求項２７のいずれか１項に記載の光学デバイスの製造方法。
【請求項２９】
さらに、前記支持基板を形成する工程より前に、前記基板の第１の主面側近傍に前記基板の第１の主面側から、ウェルを形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項２３から請求項２８のいずれか１項に記載の光学デバイスの製造方法。
【請求項３０】
前記配線層を形成する工程は、前記配線層内部における前記半導体基板層の第２の主面側に遮光構造を形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項２３から請求項２９のいずれか１項に記載の光学デバイスの製造方法。
【請求項３１】
さらに、前記配線層を形成する工程より後に、前記導電体と外部端子とを電気的に接続する他の導電体を有し、１層以上の応力緩和層からなる再配線層を形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項２３から請求項３０のいずれか１項に記載の光学デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイスおよびその製造方法に関する。例えばデジタルカメラや携帯電話等に用いられる半導体素子、撮像素子、フォトＩＣ等の受光素子、もしくはＬＥＤ、レーザー等の発光素子が形成された光学デバイスおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化、薄型化および軽量化の要求とともに半導体装置の高密度実装化の要求が強くなっている。さらに、微細加工技術の進歩による半導体素子の高集積化とあいまって、チップサイズパッケージまたはベアチップの半導体素子を直接実装する、いわゆるチップ実装技術が提案されている。
【０００３】
例えば、半導体撮像素子において光電変換素子の裏面側から受光する、裏面受光型イメージセンサが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この裏面受光型イメージセンサでは、薄膜化されたシリコン基板の背面（裏面）にて受光し、シリコン基板内で光電変換した信号電荷を信号処理して出力する。裏面受光型イメージセンサは、シリコン基板の裏面で受光するため、シリコン基板に積層または実装される配線の自由度が高まるだけでなく微細プロセスを適用できる。また、裏面受光型イメージセンサは、配線に影響されず高開口率の画素形成が可能となる。ここで、開口率とは、１画素の中でどのくらいの割合が光を取り込む領域になっているかを示す指標である。開口率が高いほど効率良く光を通過させることができる。
【０００４】
図１０は、従来の光学デバイスにおける断面構造の一例を示す図である。
【０００５】
図１０に示す光学デバイス８１０は、例えばＣＭＯＳイメージセンサの裏面受光型撮像素子である。光学デバイス８１０は、図１０に示すように、半導体基板層８１１、Ｎ−型領域８２２、光電変換素子８２３、Ｎ＋領域８２４、Ｐ＋領域８２５、画素分離領域８２６、浅いＰ＋層８２７、転送トランジスタ８２８、ＦＤ８２９、Ｐ−層８３０、ＭＯＳＦＥＴ８３１、Ｐウェル８３２、ＮＭＯＳ８３３、ＰＭＯＳ８３４、遮光膜８３７、カラーフィルタ８３８、マイクロレンズ８３９、金属配線８４０、絶縁層８４８および基板支持材８４９を備える。また、光学デバイス８１０は、半導体基板層８１１の第１の面８１１ａ方向に絶縁層８４８が形成され、半導体基板層８１１の第２の面８１１ｂ方向に配線層８１６と、基板支持材８４９とが形成されている。また、光学デバイス８１０は、光学素子が集積され画素部となる光学素子集積領域９１２と、周辺回路が集積されている周辺回路領域９１３とに機能的にわけることができる。
【０００６】
ここで、ＦＤとはＦｌｏａｔｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎを意味し、ＭＯＳＦＥＴは、Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒである。また、ＮＭＯＳは、Ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｃｈａｎｎｅｌ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒであり、ＰＭＯＳはＰｏｓｉｔｉｖｅ  ｃｈａｎｎｅｌ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒである。
【０００７】
半導体基板層８１１は、例えば１０〜２０μｍ程度の厚さのシリコン（Ｓｉ）を母材として形成されている。また、半導体基板層８１１は、画素部となる光学素子集積領域９１２に、光電変換素子８２３、Ｎ＋領域８２４、Ｐ＋領域８２５、画素分離領域８２６、ＦＤ８２９およびＰ−層８３０が形成されている。また、半導体基板層８１１は、その周辺回路領域９１３には、Ｎ−型領域８２２およびＰウェル８３２が形成されている。
【０００８】
なお、図１０に示す半導体基板層８１１のウェル構造は、Ｎ−型Ｓｉ基板を用いた場合の一例である。
【０００９】
配線層８１６は、半導体基板層８１１における第２の面８１１ｂの上に形成されている。そして、配線層８１６は、トランジスタのゲート電極、コンタクト電極および金属配線８４０が埋め込まれて形成されている。すなわち、配線層８１６には、ＮＭＯＳ８３３、ＰＭＯＳ８３４、転送トランジスタ８２８、ＭＯＳＦＥＴ８３１のゲート電極およびコンタクト電極と金属配線８４０とが埋め込まれて形成されている。
【００１０】
また、配線層８１６は、ＴＥＯＳなどの絶縁膜中にＡｌやＣｕなどを主成分とする金属配線が形成されたＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）プロセスと同様の多層配線構造で形成されている。
【００１１】
基板支持材８４９は、配線層８１６の下、すなわち配線層８１６の半導体基板層８１１の第２の面８１１ｂ方向に形成されている。
【００１２】
絶縁層８４８は、半導体基板層８１１の第１の面１１ａに形成されており、絶縁膜８４８ａと遮光膜８３７と保護膜８４８ｂとがこの順に積層されて形成されている。
【００１３】
絶縁膜８４８ａは、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）で形成されている。また、絶縁膜８４８ａの上には遮光膜８３７が形成されている。
【００１４】
遮光膜８３７は、絶縁膜８４８ａの上に形成されている。すなわち、遮光膜８３７は、半導体基板層８１１の第１の面８１１ａに絶縁膜８４８ａを挟んで形成されている。また、遮光膜８３７は、遮光性の高い金属膜で形成されている。また、遮光膜８３７は、光学素子集積領域９１２に開口部８３７ａを備える。
【００１５】
保護膜８４８ｂは、遮光膜８３７の上に形成されており、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ）で形成されている。
【００１６】
カラーフィルタ８３８およびマイクロレンズ８３９は、保護膜８４８ｂ上の遮光膜８３７の開口部８３７ａと対応する位置に形成されている。ここで、カラーフィルタ８３８には着色レジストを、マイクロレンズ８３９にはアクリル系樹脂を用いた構成が一般的である。
【００１７】
光電変換素子８２３は、半導体基板層８１１の画素部となる光学素子集積領域９１２に形成されており、例えばフォトダイオードである。
【００１８】
光電変換素子８２３は、半導体基板層８１１におけるＰウェルを形成しないＮ−型領域からなる光電変換領域８２２ａに、信号電荷を蓄積するＮ＋領域８２４を挟んでＰ＋領域８２５が半導体基板層８１１の第２の面１１ｂ側に形成されている。また、光電変換素子８２３は、深いＰウェルが形成された画素分離領域８２６で素子間の分離がなされており、光学素子集積領域９１２で半導体基板層８１１における第１の面１１ａ側の全面に亘って形成されている浅いＰ＋層８２７と繋がっている。
【００１９】
なお、光電変換素子８２３によりＮ＋領域８２４に蓄積された信号電荷は、転送トランジスタ８２８によってＮ＋型領域のＦＤ８２９に転送される。ここで、光電変換素子８２３とＦＤ８２９とは、Ｐ−層８３０により電気的に分離されている。
【００２０】
ここで、光電変換領域８２２ａは、遮光膜８３７の開口部８３７ａと対応する位置に形成されている。また、画素分離領域８２６の第２の面８１１ｂ側には、上述したような通常のＭＯＳＦＥＴ８３１が形成されており、さらに転送トランジスタ８２８以外の単位画素の構成トランジスタ、例えば、増幅トランジスタ、アドレストランジスタ、リセットトランジスタなどが形成されている。
【００２１】
また、周辺回路領域９１３では、半導体基板層８１１の第２の面８１１ｂ側に、Ｐウェル８３２とその内側にＮウェルが形成され、それぞれＮ型ＭＯＳ８３３、Ｐ型ＭＯＳ８３４からなるＣＭＯＳ回路が構成されている。
【００２２】
以上のように、図１０に示す例えばＣＭＯＳイメージセンサの光学デバイス８１０は、配線層８１６と反対側となる半導体基板層８１１の第１の面８１１ａ側から入射光を取り込む裏面受光型の画素構造を備えている。具体的には、光学デバイス８１０は、第１の面８１１ａ側から入射する光を、マイクロレンズ８３９によって集光し、カラーフィルタ８３８で所望の波長のみ透過して、開口部８３７ａから半導体基板層８１１に形成されたフォトダイオードである光電変換素子８２３の光電変換領域８２２ａに導かれる画素構造を有している。
【００２３】
次に、上記構成の光学デバイス８１０を作成するプロセスについて、図１１および図１２を用いて説明する。
【００２４】
図１１および図１２は、従来の光学デバイスにおける製造方法を説明するための断面図である。
【００２５】
まず、Ｎ−型Ｓｉ基板からなる半導体基板層８１１に素子分離、ゲート電極を形成するとともに、イオン打ち込みにより、上述した浅いＰ＋層８２７および画素分離領域８２６の深いＰウェル、周辺回路領域９１３のＰウェル８３２とその内側のＮウェルを形成する。さらにフォトダイオードとなる光電変換素子８２３の活性領域やトランジスタなどの素子を形成する（図１１（ａ））。なお、この図１１（ａ）の工程は、従来のＣＭＯＳイメージセンサと同一の工程である。
【００２６】
次に、半導体基板層８１１の上に、配線層８１６を形成する。配線層８１６は、１層以上からなり、その層間膜に金属配線８４０が埋め込まれ、その表層の開口部に第１の電極パッド８１８ａが形成される（図１１（ｂ））。
【００２７】
続いて、配線層８１６上に導電体８５０が埋め込まれた第１の基板支持材８４９ａを形成する。ここで、導電体８５０は、一端が第１の電極パッド８１８ａと電気的に接続され、もう一端が第１の基板支持材８４９ａの表面に露出されて形成される（図１１（ｃ））。第１の基板支持材８４９ａの表面に露出された導電体８５０のもう一端は、第２の電極パッド８１８ｂとなる。
【００２８】
次に、半導体基板層８１１の裏面加工中における第２の電極パッド８１８ｂの保護と表面の平坦化のために、第２の電極パッド８１８ｂおよび第１の基板支持材８４９ａの上に第２の基板支持材８４９ｂを形成する（図１１（ｄ））。
【００２９】
次に、半導体基板層８１１を裏面加工する。すなわち半導体基板層８１１の裏面を厚さが１０μｍ程度になるまでＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によって研磨し、浅いＰ＋層８２７層を表面に露出させる（図１２（ｅ））。
【００３０】
続いて、裏面加工された半導体基板層８１１に、絶縁層８４８すなわち絶縁膜８４８ａ、遮光膜８３７および保護膜８４８ｂを形成する（図１２（ｆ））。
【００３１】
次に、従来のＣＭＯＳイメージセンサの場合と同様の方法でカラーフィルタ８３８、マイクロレンズ８３９を保護膜８４８ｂ上に形成する（図１２（ｇ））。
【００３２】
次に、第２の電極パッド８１８ｂ上の第２の基板支持材８４９ｂを開口し、第２の電極パッド８１８ｂを露出させる（図１２（ｈ））。
【００３３】
以上のようにして、光学デバイス８１０を作成する。
【００３４】
また、撮像素子をはじめとする光学素子が形成される光学デバイスは、所望の向きに光の経路を導くためのレンズ、所望の波長のみを透過するためのカラーフィルタおよび遮光構造などの光学機構を一般的に備えている。例えば、光学デバイスが撮像素子の場合、マイクロレンズとして形状加工したアクリル系樹脂、カラーフィルタとして着色レジストを用いるのが一般的である。
【特許文献１】特開２００３−０３１７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
しかしながら、光学デバイスが有機系材料を用いた構成の場合、耐熱性が劣り高温プロセスを適用できない。また、経時変化による機能の低下が懸念される。さらに、画素の微細化に伴う高精度のパターニングへ形成が困難であるなどの課題がある。
【００３６】
これに対し、無機材料からなるカラーフィルタやマイクロレンズなど種々の構成が提案されている。その場合、例えば裏面受光型撮像素子のような光学デバイス８１０は、配線層８１６と反対面に光学経路を備える構成となり、配線層１６の影響を考慮する必要がない。そのため、光学機構の設計の自由度は比較的高い。
【００３７】
しかし、例えば裏面受光型撮像素子のような光学デバイス８１０は、半導体基板層８１１および配線層８１６を形成した後で、半導体基板層８１１の基材を薄厚化して所望の厚みの半導体基板層８１１を形成するプロセスを必要とする。そのため、薄厚化工程にて素子や配線にダメージが入りやすく、特性に影響を与える懸念がある。
【００３８】
また、光学デバイス８１０では、薄厚化工程以降の工程において基板強度を保つために、配線層８１６上に基板支持材８４９を貼り付ける必要があり、配線層８１６上の第１の電極パッド８１８ａが支持基板で覆われてしまう。そのため、外部端子と第１の電極パッド８１８ａの導通を取るプロセスが必要となる。このように、外部端子を形成するプロセスが複雑になってしまう。
【００３９】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、簡易なプロセスで光学特性の信頼性を向上できる光学デバイスおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
上記の目的を達成するため、本発明に係る光学デバイスは、複数の素子を備える半導体基板層と、前記半導体基板層の第１の主面側に形成され、入射される光の所望の波長の光を透過させる１以上の光学部品と、前記第１の主面側と反対となる前記半導体基板層の第２の主面方向に形成され、導電体を含む配線層とを備え、前記半導体基板層には、前記１以上の光学部品のそれぞれと対応する位置にあり前記半導体基板層の前記第２の主面側から前記第１の主面に達する光電変換素子領域と、前記半導体基板層の前記第２の主面近傍に１以上の素子とが形成され、前記光学部品の少なくとも一部は、前記半導体基板層を母材として形成され、前記配線層は、前記光電変換素子領域および前記素子それぞれと電気的に接続する導電体を含めて形成されていることを特徴とする。
【００４１】
この構成により簡易なプロセスで光学特性の信頼性を向上できる光学デバイスが実現できる。
【００４２】
具体的には、本発明の光学デバイスは、半導体基板層を母材とする光学部品を備えている。そのため、微細化が容易で耐熱性が高く、経時変化に強い光学部品を形成することができる。例えば、光学デバイスが裏面照射型固体撮像装置だとすると、マイクロレンズやカラーフィルタなどの光学部品は、半導体基板層に形成された撮像素子の一つ一つに対応して各個形成することが要求される。高解像度化のためには撮像素子の集積率を上げるとよく、このため、配線層の影響を受けない裏面照射型固体撮像装置にはより微細な拡散プロセスの適用が期待される。従って、光学部品も撮像素子の集積率に応じて微細化する必要がある。
【００４３】
本発明の光学デバイスでは、半導体基板層を母材とする光学部品を形成することで、微細化に伴う光学部品の高精度なパターニング要求にも容易に対応することができる。
【００４４】
また、半導体基板層を母材とすることで、素子形成プロセスにおける加工温度と同程度の耐熱性を有する光学部品を形成することができる。そのため、光学部品の形成後にも高温プロセスを適用できる。従って、光学部品の形成プロセス後に素子形成プロセスや高温加工の膜形成プロセスなどを実施することができる。つまり、光劣化や耐湿性など環境起因の経時変化にも強い、信頼性の高い光学デバイスを実現できる。
【００４５】
また、前記光学部品は、所望の波長に対応する曲面が形成されたレンズであってもよい。
【００４６】
また、前記光学部品は、所望の波長に対応するようイオン基を注入して形成されたカラーフィルタであってもよい。
【００４７】
また、前記光学部品は、所望の波長に対応するよう微細な段差が形成され、前記段差が形成された前記第１の主面上に薄層を形成されたカラーフィルタであってもよい。
【００４８】
また、前記光学部品は、同心円状に放物線状の濃度勾配を有するように所望の波長に対応するイオン基を注入することで形成されたレンズであってもよい。
【００４９】
また、前記光学部品は、所望の波長に対応するよう微細な段差と間隔とを有する凹凸が形成されたカラーフィルタであってもよい。
【００５０】
また、前記光学部品は、所望の波長に対応するよう微細な段差と間隔とを有する同心円状の凹凸が形成されたレンズであってもよい。このとき、前記同心円状の凹凸の幅は、中心側に比べ外側ほど次第に細くなっていてもよく、前記同心円状の凹凸の段差は、中心側に比べ外側ほど次第に低くなっていてもよい。
【００５１】
また、前記光学デバイスは、前記光電変換素子領域および前記素子が集積される光学素子集積領域を有し、前記光学素子集積領域における互いに隣接する前記光学部品の境界領域を遮光するトレンチが前記半導体基板層内の前記第１の主面側に形成されていてもよい。
【００５２】
また、前記光学デバイスは、さらに、前記配線層の少なくとも前記１以上の光学部品のそれぞれに対応する領域に遮光構造が形成されていてもよい。
【００５３】
この構成により簡易なプロセスで光学特性の信頼性を向上できる光学デバイスが実現できる。
【００５４】
具体的には、本発明の光学デバイスは、配線層に形成された遮光構造を備えている。
【００５５】
そのため、拡散プロセスにて遮光構造を形成することができるので、遮光性を考慮して実装する必要はない。従って実装形態を自由に選択することができる。
【００５６】
また、ウェハレベルの中間検査における光学特性上の不良検出能を向上することができ、個片化後の不良デバイスの検査や実装を省くことができるので生産性を上げることができる。
【００５７】
ここで、前記光学デバイスは、前記光電変換素子領域および前記素子が集積される光学素子集積領域を有し、前記遮光構造は、前記光学素子集積領域を水平方向に１つ以上に分割する領域に対応した遮光膜により構成されていてもよく、前記遮光構造は、前記導電体と同一の構造材で形成されていてもよい。
【００５８】
また、前記配線層は、複数の層間膜が積層された多層配線構造を有しており、前記遮光構造は、前記多層配線構造のうち２層以上の層間膜に形成された前記導電体からなる遮光膜により構成されていてもよい。
【００５９】
ここで、前記遮光構造は、前記光電変換素子領域と対応する位置に、前記光電変換素子領域が水平方向に占める面積である占有面積と同等以上の占有面積を有する遮光膜により構成されていてもよい。または、前記遮光構造は、前記光電変換素子領域と対応する位置に、前記光電変換素子領域が水平方向に占める面積である占有面積と同程度の占有面積を有するよう形成された第１の遮光膜と、前記第１の遮光膜の周縁に形成された第２の遮光膜とにより構成されてもよい。
【００６０】
また、前記配線層は、複数の層間膜が積層された多層配線構造を有しており、前記第２の遮光膜は、前記配線層が有する複数の層間膜のうち前記第１の遮光膜とは異なる層間膜に形成され、前記第１の遮光膜と前記第２の遮光膜とは、前記層間膜の垂直方向の位置関係において前記第１の遮光膜の周縁部と前記第２の遮光膜の１部とが重なるように形成されていてもよい。
【００６１】
ここで、前記配線層は、複数の層間膜が積層された多層配線構造を有しており、前記遮光構造は、第１の遮光膜と第２の遮光膜とにより構成され、前記第１および第２の遮光膜は、前記複数の層間膜のうち互いに異なる層間膜に形成された複数の遮光膜であり、前記光電変換素子と対応する位置では、前記複数の層間膜の垂直方向の位置関係において互いに重なるように形成され、前記第１および第２の遮光膜のそれぞれが前記複数の層間膜の水平方向に占める領域は、前記光電変換素子が前記複数の層間膜の水平方向に占める領域よりも小さくてもよい。
【００６２】
また、前記配線層は、１以上の構成膜が積層されて形成されており、前記遮光構造は、前記１以上の構成膜の少なくとも１つに着色材料を用いて形成されてもよい。ここで、前記光学デバイスは、さらに、前記半導体基板層の第１の主面側の表面に形成された接着層と前記接着層を介して接着され、光を透過する透光性基板とを備えていてもよい。さらに、前記透光性基板は、無機材料を用いて形成されており、前記接着層は、前記透光性基板と主成分が類似した無機材料を用いて形成されていてもよい。
【００６３】
また、上記目的を達成するために、本発明に係る光学デバイスの製造方法は、半導体からなり前記半導体基板層の母材となる基板の第１の主面側表面に接着層を形成し、前記接着層を介して前記基板を支持する支持基板を形成する工程と、当該基板の第１の主面側と反対となる前記基板の第２の主面側の基材を除去して所望の厚みに薄厚化する工程を経ることにより前記半導体基板層を形成する工程と、前記半導体基板層の第２の主面方向に、導電体を含む配線層を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００６４】
ここで、さらに、前記支持基板を形成する工程の前に、入射される光の所望の波長の光を透過させる１以上の光学部品を、前記基板の第１の主面側に形成する工程を含み、前記半導体基板層を形成する工程では、前記１以上の光学部品のそれぞれと対応する位置で、前記半導体基板層の第２の主面側から第１の主面に達する光電変換素子領域を形成する工程と、前記半導体基板層の第２の主面近傍に１以上の素子を形成する工程とを含み、前記配線層を形成する工程では、前記導電体は、前記光電変換素子領域および素子それぞれと電気的に接続するよう形成され、前記光学部品を形成する工程では、前記光学部品の少なくとも一部を、前記半導体基板層を母材として形成するのが好ましい。
【００６５】
また、前記接着層および前記支持基板は、無機材料からなっていてもよい。
【００６６】
また、前記支持基板は、光を透過する透光性基板であってもよい。また、前記導電体は、その一端が電極パッドとなるよう前記配線層の表面から露出して形成されてもよい。
【００６７】
これらにより簡易なプロセスで光学特性の信頼性を向上できる光学デバイスの製造方法が実現できる。
【００６８】
具体的には、本発明の光学デバイスの製造方法は、薄厚化プロセスの後に素子や配線を形成するプロセスを備えている。そのため、薄厚化プロセスにおける素子や配線へのダメージを低減することができる。また、接着層および支持基板に無機材料を用い、無機材料が高耐熱材であることにより、薄厚化プロセスの後の工程で高温プロセスを適用することができる。
【００６９】
また、透光性基板を支持基板として薄厚化することにより、支持基板を剥離する必要がない。そのため従来の支持基板を剥離する必要がある工程に比べて工程が簡略化できる。また、導電体に電極パッドが露出して形成されているので、従来は別途電極パッドと電気的な導通を取る必要がある工程に比べて電極パッドと電気的な導通を取る工程が簡略化できる。また、工程途中で電極パッドが露出されるので、ウェハレベルの検査も容易である。
【００７０】
また、前記基板の第２の主面側の基材を除去して所望の厚みに薄厚化する工程は、前記基板の第２の主面側の基材を砥石により研磨することにより薄厚化する工程と、前記薄厚化する工程において研磨された研磨面をソフトエッチングすることにより研磨されてダメージを受けた前記基板の第２の主面側の層を除去し、前記半導体基板層となる前記第２の主面を露出する工程とを含んでいてもよい。
【００７１】
また、さらに、前記支持基板を形成する工程より前に、前記基板の第１の主面側近傍に前記基板の第１の主面側から、ウェルを形成する工程を含んでもよい。
【００７２】
また、前記配線層を形成する工程は、前記配線層内部における前記半導体基板層の第２の主面側に遮光構造を形成する工程を含んでもよい。ここで、さらに、前記配線層を形成する工程より後に、前記導電体と外部端子とを電気的に接続する他の導電体を有し、１層以上の応力緩和層からなる再配線層を形成する工程を含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００７３】
本発明によれば、簡易なプロセスで光学特性の信頼性を向上できる光学デバイスおよびその製造方法を実現することができる。
【００７４】
具体的には、本発明の光学デバイスは、半導体基板層の第１の主面に半導体基板層を母材とする光学部品を備える構成とし、半導体基板層の第２の主面に遮光構造を備えている。また、本発明の光学デバイスの製造方法は、半導体基板層の第１の主面に支持基板を形成する工程と、半導体基板層の第２の主面側の基材を除去して所望の厚みに薄厚化する工程と、その後、半導体基板層の第２の主面側の素子および配線層を形成する工程とを備える。それにより、光学特性に優れた、小型・薄型で高機能な光学デバイスを実現することができる。さらに、プロセスの簡略化と信頼性の向上をはかることができるので、短タクト・低コストで信頼性の高い光学デバイスを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７５】
以下、本発明の実施の形態を示す光学デバイスおよびその製造方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。ここでは裏面受光型撮像素子を例に説明するが、本発明の主旨を損なわない範囲で、種々の光学デバイスに適用できる。なお、図面で同じ符号が付いたものは、同様の要素であるため説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするためにそれぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、形状等については正確な表示ではない。
【００７６】
図１は、本発明の実施形態に係る光学デバイスにおける概略断面構造の一例を示す図である。図２は、本発明の実施形態に係る光学デバイスの要部構成の部分断面構造を示す図である。図１に示す光学デバイス１０は、例えば裏面受光型撮像素子であり、光学素子が集積され画素部となる光学素子集積領域１２と、周辺回路が集積されている周辺回路領域１３とに機能的に分かれている。
【００７７】
光学デバイス１０は、図１および図２に示すように、半導体基板層１１、接着層１４、透光性基板１５、配線層１６、再配線層１９、導電体２０、外部端子２１、Ｎ−型領域２２、光電変換素子２３、Ｎ＋領域２４、Ｐ＋領域２５、画素分離領域２６、浅いＰ＋層２７、転送トランジスタ２８、ＦＤ２９、Ｐ−層３０、ＭＯＳＦＥＴ３１、Ｐウェル３２、ＮＭＯＳ３３、ＰＭＯＳ３４、および光学部品３５を備える。さらに、単位画素の分離境界にトレンチ３６を備えることが好ましい。
【００７８】
光学デバイス１０は、図１に示すように、光学素子集積領域１２と周辺回路領域１３とを備え、半導体基板層１１の第１の面１１ａ側に、例えばマイクロレンズやカラーフィルタ、遮光構造などの光学部品３５が形成されている。一方、光学デバイス１０は、半導体基板層１１の第２の面１１ｂ側には、半導体基板層１１に形成された素子と電気的に接続を成す導電体が埋め込まれた一層以上の絶縁層からなる配線層１６が形成されている。
【００７９】
半導体基板層１１は、薄厚のシリコン（Ｓｉ）基板などを母材に形成されている。半導体基板層１１の厚さは所望の光線の波長に合わせて最適化することが望ましく、数μｍ〜５０μｍ程度が適している。また、半導体基板層１１は、画素部となる光学素子集積領域１２に、光電変換素子２３、Ｎ＋領域２４、Ｐ＋領域２５、画素分離領域２６、ＦＤ２９およびＰ−層３０が形成されている。また、半導体基板層１１は、周辺回路領域１３には、Ｎ−型領域２２およびＰウェル３２が形成されている。
【００８０】
なお、図１に示す半導体基板層１１のウェル構造は、Ｎ−型Ｓｉ基板を用いた場合の一例である。
【００８１】
配線層１６は、半導体基板層１１における第２の面１１ｂの上に形成され、半導体基板層１１に形成された素子と電気的に接続を成す導電体が埋め込まれた１層以上の絶縁層からなる。配線層１６は、トランジスタのゲート電極、コンタクト電極および配線が埋め込まれた絶縁層と、その表層（図中下側）に１層以上の絶縁膜からなり、その導電体が露出された電極パッド１８を有する保護膜１７とを備える。すなわち、配線層１６は、ＮＭＯＳ３３、ＰＭＯＳ３４、転送トランジスタ２８、ＭＯＳＦＥＴ３１のゲート電極および接合コンタクト電極と配線とが埋め込まれて形成された絶縁層と、電極パッド１８を有する絶縁層からなる保護膜１７とを備える。
【００８２】
また、配線層１６は、一般的なＣＭＯＳプロセスを用いて形成されており、例えば、ゲート酸化膜にはＳｉＯ2、ゲート電極にはポリシリコン、接合コンタクト電極にはＷ（タングステン）などを用い、ＴＥＯＳ膜やＦＳＧ膜などが一層以上積層された絶縁層にＡｌやＣｕを主成分とする配線が形成されている。
【００８３】
再配線層１９は、配線層１６上（図中では下）に形成され、その上すなわち光学デバイス１０の第２の面１１ｂ側に、外部端子２１が配置されている。また、再配線層１９は、１層以上の応力緩和層に電極パッド１８と外部端子２１とを電気的に接続する導電体２０が形成されている。
【００８４】
具体的には、再配線層１９は、例えばポリイミド系やエポキシ系の樹脂膜などが１層以上積層された応力緩和層に、例えばＣｕやＡｌなどを主成分とする導電体２０で配線を形成している。外部端子２１には、例えばＳｎＡｇやＳｎＡｇＣｕなどを主成分とするハンダバンプなどが用いられている。電極パッド１８にはＡｌ合金などが用いられる。配線層１６における保護膜１７には、ＳｉＮ膜などを積層して用いるのが一般的である。
【００８５】
透光性基板１５は、光学デバイス１０へのダストの影響を低減するために、半導体基板層１１の第１の面１１ａ側表面を、接着層１４を介して封止するために用いられ、光を透過する基板である。また、透光性基板１５には０．３〜０．７ｍｍ厚の光学ガラス基板などが用いられる。
【００８６】
接着層１４は、屈折率を調整されたアクリル系の樹脂膜などを用いるのが一般的である。
【００８７】
また、接着層１４は、所望の光学特性を得るため、また、樹脂膜の光劣化を防ぐために、遮光膜３７を備え、光学素子集積領域１２の少なくとも光電変換素子２３となる光電変換領域２２ａと対応する遮光膜３７の箇所を開口している。なお、接着層１４は、樹脂膜よりは、むしろ、光劣化の懸念がなく耐熱性に優れたガラス層などの無機材料を用いて透光性基板１５と接合する方が好ましく、例えば、酸化シリコン膜を形成してガラス基板と熱融着やアルカリ接合などの手法を用いて透光性基板１５と接合するとよい。
【００８８】
ここで、遮光膜３７は、半導体基板層１１の第１の面１１ａ上における少なくとも周辺回路領域１３に、遮光構造を備えた保護膜として、接着層１４に形成されている。また、遮光膜３７は、絶縁性を示し、接着層１４の一部に形成されるので、例えばシリコン酸化膜で形成されていることが好ましい。もちろん、一般的に用いられるようなシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの無機材料膜の層間に形成されたＷ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌなどを主元素とする金属膜でもよい。
【００８９】
光電変換素子２３は、例えばフォトダイオードであり、Ｐウェルを形成しないＮ−型領域からなる光電変換領域２２ａに信号電荷を蓄積するＮ＋領域２４を挟んでＰ＋領域２５が半導体基板層１１の第２の面１１ｂ側に形成されている。また、光電変換素子２３は、深いＰウェルが形成された画素分離領域２６で素子間の分離がなされており、少なくとも画素部となる光学素子集積領域１２で半導体基板層１１における第１の面１１ａ側の全面に亘って形成されている浅いＰ＋層２７と繋がっている。
【００９０】
光電変換素子２３によりＮ＋領域２４に蓄積された信号電荷は、転送トランジスタ２８によってＮ＋型領域のＦＤ２９に転送される。ここで、光電変換素子２３とＦＤ２９とは、Ｐ−層３０により電気的に分離されている。
【００９１】
ここで、半導体基板層１１と配線層１６とにまたがり形成されるデバイスについて説明する。
【００９２】
半導体基板層１１および配線層１６の光学素子集積領域１２側には、転送トランジスタ２８および通常のＭＯＳＦＥＴ３１が形成されており、さらに、転送トランジスタ２８以外の単位画素の構成トランジスタ、例えば、増幅トランジスタ、アドレストランジスタ、リセットトランジスタなどが形成されている。一方、周辺回路領域１３側には、半導体基板層１１の第２の面１１ｂ側に、Ｐウェル３２が形成され、その内側に形成されたＰウェルとＮウェルにそれぞれ、ＮＭＯＳ３３、ＰＭＯＳ３４からなるＭＯＳ回路が構成されている。半導体基板層１１と配線層１６とにおいて、上述したように、ＮＭＯＳ３３およびＰＭＯＳ３４のゲート酸化膜、ゲート電極、接合コンタクト電極等が配線層１６側に形成されている。
【００９３】
光学部品３５は、半導体基板層１１の第１の面１１ａ側において、少なくとも光電変換領域２２ａと対応する位置に半導体基板層１１を母材として構成される。光学部品３５は、半導体基板層１１を母材として形成されるため、微細化が容易で、耐熱性が高く、経時変化に強い光学部品として形成することができる。
【００９４】
トレンチ３６は、斜入射光や散乱光が隣接画素の光電変換素子２３に入り混色するのを防ぐため、単位画素の分離境界にタングステン（Ｗ）などの遮光材を埋め込んで形成される。なお、遮光材にタングステンなどの導電材を用いる場合は、トレンチ３６の内壁にシリコン酸化膜などの絶縁膜を形成し、半導体基板層１１とトレンチ３６とを電気的に絶縁することが好ましい。
【００９５】
光学部品３５およびトレンチ３６を形成する際に、半導体基板層１１の第１の面１１ａ側近傍にウェル（ここでは、浅いＰ＋層２７および画素分離領域２６の浅いＰ＋層２７側近傍のウェル）を形成した方が好ましい。半導体基板層１１の第１の面１１ａ側から、比較的浅い位置にあるウェルを形成する場合、イオン注入の制御性に優れるからである。
【００９６】
以上のように、図１および図２に示す光学デバイス１０は構成される。
【００９７】
次に、本発明の特徴を有する光学部品３５について例を挙げて説明する。
【００９８】
図３は、本発明の実施形態に係る光学部品における部分断面の１例を示す図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、それぞれ光学部品３５の別の態様を示している。
【００９９】
図３（ａ）に示す光学部品３５は、半導体基板層１１の第１の面１１ａを形状加工して光電変換領域２２ａと対応する位置に所望の曲面を有するレンズとして形成されている。また、光学部品３５の半導体基板層１１側にある浅いＰ＋層２７も同様に、レンズ状すなわち所望の曲面状に形成されている。
【０１００】
例えば、半導体基板層１１がＳｉ基板であった場合、Ｓｉの屈折率は３〜８と高いので、光学部品３５は、緩やかな曲面を有するレンズであっても大きな集光効果が期待できる。また、画素分離領域２６に対する光線もレンズ状に形成された浅いＰ＋層２７を通過させて光電変換領域２２ａに導くことができ、光学的な開口率を大きくすることができる。
【０１０１】
ここで、Ｓｉの屈折率は波長によって異なるため、光学部品３５を構成するレンズの曲面形状は所望の波長によって最適化されていることが好ましい。例えば、Ｓｉの可視光での屈折率は４〜７程度で赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の順に屈折率は高くなるので、屈折率の比較的低い赤（Ｒ）より、屈折率の高い青（Ｂ）を小さい厚みのレンズで形成すればよい。それにより、光学部品３５を通過する光（入射される光）を所望の可視光に分光することができる。また、吸収率が高い青（Ｂ）側となる光学部品３５を構成するレンズを光電変換領域２２ａに近づけて形成することで、より効率的に光電変換することができる。
【０１０２】
また、光学部品３５は、その表面に所望の波長に対応したイオン基を注入することで着色されたカラーフィルタが形成されていることが好ましい。
【０１０３】
このようにして、光学部品３５は、半導体基板層１１の第１の面１１ａ側に半導体基板層１１を母材として形成することができる。
【０１０４】
図３（ｂ）に示す光学部品３５は、カラーフィルタとして形成されている。そのカラーフィルタは、半導体基板層１１の第１の面１１ａを形状加工して光電変換領域２２ａと対応する位置に所望の波長と同程度の段差ｔを設け、その段差部に薄層３７ａを備える。
【０１０５】
光学部品３５を構成するそのカラーフィルタは、薄層３７ａを通過する光が干渉する原理を用いて、所望の波長の透過光のみ強め合うことで所望の可視光に分光する（所望の可視光を通過させる）。
【０１０６】
ここで、段差ｔは、所望の波長と薄層３７ａの媒質の屈折率によって最適値が決まる。しかし、光学部品３５を構成するカラーフィルタでは、半導体基板層１１の第１の面１１ａに直接段差を形成しているため、段差ｔの設計の自由度は高い。そのため、このカラーフィルタでは、平坦な上面を有する薄層３７ａに対して異なる波長各々に最適な値を有する段差ｔを形成することができる。
【０１０７】
例えば、光学部品３５を構成するカラーフィルタがそれぞれ可視光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に分光する場合、薄層３７ａの段差ｔは、波長の比率に応じて変化させればよく、波長の長い赤（Ｒ）に比べ、波長の短い青（Ｂ）の段差ｔを小さく形成するとよい。また、単位画素の分離境界および周辺回路領域１３における薄層３７ａの段差ｔを青（Ｂ）の段差ｔより更に薄くして斜入射光や散乱光を遮光するとよい。ここで、薄層３７ａは、例えばＳｉＯ2を用いて形成されていればよい。
【０１０８】
このように、薄層３７ａは、その段差ｔに応じた箇所では赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のいずれか一種の選択的な透過が実現でき、その段差ｔを形成しない箇所では、遮光が実現できる。
【０１０９】
また、図３（ｂ）で示すように、薄層３７ａ上には、さらに誘電体多層膜３７ｂが形成されている。この誘電体多層膜３７ｂによって、所望の波長群の透過光のみ強め合うことができるので、光学部品３５を構成するカラーフィルタの分光特性を向上することができる。ここで、誘電体多層膜３７ｂは、例えば、ＳｉＯ2とＴｉＯ2をそれぞれ一定の厚みで周期的に積層して形成されている。そして、誘電体多層膜３７ｂは、ＳｉＯ2とＴｉＯ2の膜厚と積層数とを最適化することで、特定の波長群、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、または青（Ｂ）のみを選択的に透過させることができる。
【０１１０】
なお、光学部品３５は、その表面に所望の波長に対応したイオン基を注入して、同心円状に放物線状の濃度勾配が形成された屈折率分布レンズであることが好ましい。また、媒質中の屈折率を変化させることで、画素分離領域２６に対する光線も浅いＰ＋層２７を通過させて光電変換領域２２ａに導くことができ、光学的な開口率を大きくすることができる。
【０１１１】
このようにして、光学部品３５は、半導体基板層１１の第１の面１１ａ側に半導体基板層１１を母材として形成することができる。
【０１１２】
なお、浅いＰ＋層２７の深さは、段差ｔや所望の波長の吸収率に応じて最適化することが好ましい。
【０１１３】
図３（ｃ）に示す光学部品３５は、半導体基板層１１の第１の面１１ａを形状加工して光電変換領域２２ａと対応する位置の浅いＰ＋層２７に、所望の波長と同程度の微細な凹凸を設けることで形成される。
【０１１４】
この光学部品３５は、凹部と凸部との段差と、回折によって生じる光路差とによって光が干渉する原理を用いて、所望の波長の透過光を強め合うことで所望の可視光に分光することができる。また、この光学部品３５では、同心円状に凹凸形状を形成することにより、所望の波長の回折光が特定の方向に強め合うことを利用して集光することができる。
【０１１５】
ここで、同心円状の凹凸の幅ｄと段差ｔとは、所望の波長と、半導体基板層１１および凹部に埋め込まれた媒質、例えばＳｉとＳｉＯ2の屈折率の差とにより最適値が決まる。同心円状の凹凸の幅ｄは、中心側に比べ外側ほど幅ｄを小さく（細く）することで、中心と周辺との光路差を補正して所望の波長の透過光が強めあう向きを中央に寄せることができる。
【０１１６】
また、段差ｔを中心側に比べ外側ほど小さく（薄く）することで光路差を補正しても、同様の効果が期待できる。
【０１１７】
このように、浅いＰ＋層２７に形成した凹凸形状で、画素分離領域２６に対する所望の波長の光を光電変換領域２２ａに導くことができるので、光学的な開口率を大きくすることができる。これは、浅いＰ＋層２７に形成した凹凸形状により特定の方向に強め合う条件を満たす波長が限定されるので、特定の波長の光線を優先的に光電変換領域２２ａに導くことができるからである。従って、特定の条件下において、この光学部品３５は、集光と分光とを同時に実現できる。
【０１１８】
このようにして、光学部品３５は、半導体基板層１１の第１の面１１ａ側に半導体基板層１１を母材として形成することができる。
【０１１９】
なお、浅いＰ＋層２７の深さは、所望の波長が強め位置に合わせて最適化されることが好ましい。また、半導体基板層１１の第１の面１１ａ上における周辺回路領域１３に形成された遮光膜３７は、半導体基板層１１の第１の面１１ａに多数の極微細な凹凸形状が形成されることにより構成されていてもよい。
【０１２０】
なお、上述した図３（ａ）〜図３（ｃ）の光学部品３５は、光の入射角によってもその最適な形状は異なる。従って、より好ましくは、画素部となる光学素子集積領域１２における各単位画素の形成位置に対応した光の入射角を考慮して、光学部品３５を各単位画素ごとに最適化して形成すると良い。
【０１２１】
また、単位画素の分離境界を遮光する遮光構造および遮光膜３７は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの無機材料膜の層間に形成されたＷ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌなどを主元素とする金属膜からなるのが一般的であるが、上述した光学部品３５のカラーフィルタ構造に準じた構造であってもよい。ここで、遮光構造および遮光膜３７を構成する無機材料膜の最上層は、接着層１４を兼ねて透光性基板１５と接合されていることが好ましい。
【０１２２】
また、光学部品３５は、相対屈折率を大きくして所望の光学特性を得るため、遮光構造および遮光膜３７を構成する無機材料膜は、光学素子集積領域１２の少なくとも光電変換領域２２ａと対応する位置の光学部品３５と接する部分を開口していても良い。その場合、その無機材料膜の開口した部分に封入された気体の熱膨張による悪影響を抑制するため、その開口した部分を真空もしくは減圧雰囲気とすることが好ましい。
【０１２３】
また、光学デバイス１０は、図４に示すように、光学部品３５に加えてカラーフィルタやマイクロレンズを備えていてもよい。その場合について、図を用いて説明する。
【０１２４】
図４は、本発明の実施形態に係る光学デバイスの要部構成の部分断面構造の別の態様を示す図である。なお、図１および図２と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１２５】
図４に示すように光学部品３５は、集光率の向上や色収差を補正する為の二次的な光学機構であるとし、光学部品３５の半導体基板層１１の第１の面１１ａ方向にカラーフィルタ３８およびマイクロレンズ３９を備えていても良い。
【０１２６】
ここで、カラーフィルタ３８には着色レジスト、マイクロレンズ３９にはアクリル系樹脂が用いた構成が一般的である。
【０１２７】
また、マイクロレンズ３９上にさらに屈折率を調整されたアクリル系樹脂などからなる平坦化膜（非図示）が形成されていても良い。
【０１２８】
なお、図４に示す光学デバイス１０を形成する際に、高温プロセスが適用できるように、カラーフィルタ３８には例えば着色したＳｉＯ2膜を用い、マイクロレンズ３９はレンズ状に加工されたＴｉＯ2（透明材）を用いるなど、耐熱性に優れた無機材料膜を用いて光学デバイス１０形成することが好ましい。
【０１２９】
また、光学デバイス１０において、さらに、マイクロレンズ３９上に平坦化膜を形成してもよい。その場合には、接着層１４を兼ねてＳｉＯ2膜などの無機材料で形成することが好ましい。
【０１３０】
また、単位画素の分離境界に埋め込まれた図４に示すトレンチ３６は、混色を防ぐため、カラーフィルタ３８の色分離境界部と接するように、もしくは、突出するように形成されていることが好ましい。
【０１３１】
次に、本発明の実施形態に係る光学デバイス１０の半導体基板層１１の第２の面１１ｂ側、すなわち配線層１６に形成される遮光構造について図を用いて説明する。
【０１３２】
図５は、本発明の実施形態に係る光学デバイスに形成される遮光構造の１例を示す部分断面図である。なお、図１および図２と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１３３】
図５に示す本発明の光学デバイス１０は、配線層１６における少なくとも光電変換領域２２ａと対応する領域に遮光構造として遮光膜４０ａおよび遮光膜４０ｂを備えることを特徴とする。
【０１３４】
配線層１６は、上述したように、半導体基板層１１における第２の面１１ｂの上に形成され、半導体基板層１１に形成された素子と電気的に接続を成す導電体が埋め込まれた１層以上の絶縁層からなる。また、配線層１６は、トランジスタのゲート電極、コンタクト電極および配線が埋め込まれた絶縁層に、図５（ａ）および図５（ｂ）に示す金属配線４０、遮光膜４０ａおよび遮光膜４０ｂを有している。
【０１３５】
遮光膜４０ａおよび遮光膜４０ｂは、配線層１６における光学素子集積領域１２に対応する領域に形成された導電体で構成された遮光構造である。
【０１３６】
金属配線４０は、配線層１６における光学素子集積領域１２および周辺回路領域１３に形成された素子間を電気的に接続する導電体で構成されている。
【０１３７】
ここで、配線層１６の金属配線４０および遮光膜４０ａおよび遮光膜４０ｂを形成する導電体は、同一プロセスで形成されていることが好ましい。また、遮光膜４０ａおよび遮光膜４０ｂの遮光構造を形成する導電体は、例えば、ＡｌやＣｕを主成分とする金属材料が用いられる。なお、その遮光構造を形成する導電体は、金属配線４０の一部として形成されて電気的な接続経路を兼ねていても良い。
【０１３８】
また、遮光膜４０ａおよび遮光膜４０ｂは、配線層１６における複数の絶縁層に導電体が形成された３次元的な遮光構造を有していてもよい。
【０１３９】
図５（ａ）に示す光学デバイス１０は、配線層１６において各単位画素にそれぞれ光電変換領域２２ａと同等か一回り大きい面を覆う遮光構造を有する遮光膜４０ａが光電変換領域２２ａと対応する領域に形成されている。
【０１４０】
このように、光学素子集積領域１２を一つ以上の区画に分割して、それぞれの区画を覆うように導電体が形成されることで、膜応力の影響を低減し、かつ、信頼性の高い遮光膜４０ａを形成することができる。
【０１４１】
また、遮光膜４０ｂは、図５（ａ）に示すように、隣接する遮光膜４０ａ間に、遮光膜４０ａの遮光を補助する補助的な遮光膜としてさらに形成されている。
【０１４２】
遮光膜４０ｂは、例えば、遮光膜４０ａとは異なる平面上となる配線層１６の絶縁層のいずれかに、図５（ａ）で平面的に見て両側に隣接する遮光膜４０ａの端面と部分的に重なるように形成さている。このようにすることで、隣接する遮光膜４０ａ間の遮光性を確保することができる。
【０１４３】
図５（ｂ）に示す光学デバイス１０は、配線層１６に遮光構造として遮光膜４０ａおよび遮光膜４０ｂが形成されている。
【０１４４】
遮光膜４０ａおよび遮光膜４０ｂは、配線層１６において互いに異なる平面上となる配線層１６の絶縁層のいずれかに短冊状に形成されている。また、遮光膜４０ａおよび遮光膜４０ｂは、図５（ｂ）で平面的に見て互いに端面が重なるように、配線層１６における光電変換領域２２ａと対応する領域に形成されている。
【０１４５】
このように、複数の遮光膜から構成される遮光膜４０ａおよび遮光膜４０ｂを図５（ｂ）で平面的に見て互いに重なるように配置することで、遮光性を確保することができる。それとともに、複数の遮光膜から構成される遮光膜４０ａおよび遮光膜４０ｂそれぞれの遮光膜の幅を小幅化することで、ＣＭＰによる平坦化処理でのディッシングを抑制することができる。なお、ディッシングとは、金属配線が皿のように研磨されることであり、ＣＭＰの問題点である。
【０１４６】
また、図５（ｂ）に示す光学デバイス１０では、遮光膜４０ａと遮光膜４０ｂとの中間に、遮光膜４０ａおよび遮光膜４０ｂに直交する金属配線４０ｃを備えている。遮光膜４０ａおよび遮光膜４０ｂをそれらに直交する金属配線４０ｃで互いに接続し電気的な接続経路を形成することで、遮光構造による配線制約を抑えることができる。
【０１４７】
なお、光学デバイス１０における半導体基板層１１の第２の面１１ｂ側に形成される遮光構造として、配線層１６の構成膜すなわち金属配線４０が埋め込まれた絶縁層および保護膜１７に着色材料を用いてもよい。その場合、保護膜１７には、例えば黒色ガラス層などの着色した無機材料膜または顔料や染料で着色した有機膜を形成することで遮光構造を形成してもよい。このように、配線層１６に遮光性の構成膜を用いることで、遮光構造の制約を受けず、配線自由度の高い設計が可能となる。
【０１４８】
以上のように、本発明の光学デバイス１０は構成される。それにより、配線層１６を形成する配線層プロセスの際に、光学デバイス１０における半導体基板層１１の第２の面１１ｂ側に遮光構造を形成することによって、実装形態の自由度を増すことができる。
【０１４９】
例えば、従来では遮光性の配線基板を実装していたため実装プロセスにおいて遮光条件の制約を有していた。しかし、本発明では、例えば配線が形成された半透明のテープ材を実装することができるので実装プロセスにおいて遮光条件の制約をなくすことができる。
【０１５０】
また、拡散プロセスにより、本発明の光学デバイス１０の遮光構造を形成することができるので、ウェハレベルの中間検査にて光学特性上の不良チップの検出能を上げることができる。ウェハレベルで不良チップを検出することで、個片化後の不良チップの検査や実装を省くことができる。
【０１５１】
次に、本発明の光学デバイス１０の製造方法について説明する。
【０１５２】
ところで、本発明の光学デバイス１０は、従来と同様の製造方法を用いて形成することができる。すなわち、光学素子集積領域１２および周辺回路領域１３に素子を形成した半導体基板層１１の第２の面１１ｂ側に配線層１６を形成して、配線層１６に支持基板を備えさせる。そして、支持基板を備えた光学デバイス１０の半導体基板層１１を薄厚化した後、薄膜化した半導体基板層１１の第１の面１１ａ側に、光学部品３５を形成する。このようなプロセスを経て、本発明の光学デバイス１０は形成することができる。しかしながら、従来の製造方法では、上述したように、薄厚化プロセスにおける工程ダメージを起因とする特性不良および信頼性不良の懸念がある。また、従来の製造方法では、電極パッド１８が支持基板に覆われるため、支持基板を貫通して電極パッド１８と外部端子２１との導通を取るプロセスや、支持基板を剥離して電極パッド１８を露出するプロセスを必要とする。
【０１５３】
本発明の光学デバイスの製造方法では、上記課題に鑑みて簡易なプロセスで光学特性の信頼性を向上できる光学デバイス１０の製造方法を提供することを旨とする。
【０１５４】
以下、図を用いて本発明の光学デバイス１０について具体的に説明する。なお、本発明の光学デバイス１０は以下の製造方法に限定されるものではない。
【０１５５】
図６および図７は、本発明の光学デバイスの製造方法の一例を説明するための断面図である。
【０１５６】
なお、図６および図７では簡略化のため主に単位チップを構成する要部断面図として示しているが、単位チップを集積したウェハの形態で製造されるのが一般的である。また、図１および図２と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１５７】
まず、半導体基板層１１が形成される基板、すなわち半導体基板層１１の第１の面１１ａ側近傍に、浅いＰ＋層２７および画素分離領域２６の一部などになるウェルを形成する（図６（ａ））。
【０１５８】
ここで、半導体基板層１１は、例えば、厚みが２００〜８００μｍ程度、直径が２インチΦ〜１５インチΦ程度であるシリコンウェハなどの半導体基板を用いる。
【０１５９】
なお、第１の面１１ａ側近傍のウェルの形成は、後工程の素子形成プロセスで実施しても良いが、半導体基板層１１の第１の面１１ａ側からイオン注入する方が制御性に優れるので、好ましい。また、少なくとも透明基板で半導体基板層１１の第１の面１１ａを封止する前に実施した方が好ましい。
【０１６０】
次に、マイクロレンズやカラーフィルタなどを構成する光学部品３５を所望の位置に形成する（図６（ｂ））。
【０１６１】
ここで、光学部品３５は、高耐熱性の材料を用いて形成されることが好ましく、ここでは、半導体基板層１１を母材として形成される。なお、光学部品３５を、半導体基板層１１ではなく酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機材料や金属材料を用いて形成しても良い。
【０１６２】
次に、半導体基板層１１の第１の面１１ａ側表面に接着層１４を形成し、形成した接着層１４を介して透光性基板１５で半導体基板層１１の第１の面１１ａを封止する（図６（ｃ））。
【０１６３】
ここで、接着層１４および透光性基板１５は、高耐熱性の材料を用いて、例えば、酸化シリコン膜を接着層として、ガラス基板を半導体基板層１１を形成する基板と貼り合せることが好ましい。
【０１６４】
なお、図６（ｂ）に示すように、図６（ｃ）の前工程で光学部品３５を形成しているので、透光性基板１５は図６（ｃ）の後工程で剥離する必要がない。従って、接着層１４は、透光性基板１５および半導体基板層１１を形成する基板と強固な結合を形成する材料を用いることができる。
【０１６５】
次に、透光性基板１５を支持基板として半導体基板層１１の第二の面１１ｂ側を厚さが５〜１５μｍ程度に薄厚化する（図６（ｄ））。
【０１６６】
ここで、この薄厚化プロセスには一般的にＣＭＰ研磨などの手法が用いられる。そして、この薄厚化プロセスの仕上げにソフトエッチングなどを実施し、ＣＭＰ研磨で形成された格子欠陥などのダメージを除去することが好ましい。
【０１６７】
続いて、半導体基板層１１の光学素子集積領域１２と周辺回路領域１３との所望の位置に、半導体基板層１１の第２の面１１ｂ側からウェルや光学素子、トランジスタなどの素子を形成する（図７（ｅ））。
【０１６８】
次に、半導体基板層１１の第２の面１１ｂ上に配線層１６を形成する（図７（ｆ））。
【０１６９】
配線層１６は、半導体基板層１１に形成された素子と電気的な接続を有する導電体が形成された１層以上の絶縁層からなり、その表層には、１層以上の絶縁膜からなり、露出された電極パッド１８を有する保護膜１７が形成されている。
【０１７０】
なお、この配線層形成プロセスでは、半導体基板層１１の第２の面１１ｂ側で配線層１６における光学素子集積領域１２に対応する領域の遮光構造を同時に形成することが好ましい。
【０１７１】
以上の製造方法にて光学デバイス１０を形成することができる。
【０１７２】
以上のように本発明の製造方法では、薄厚化プロセスの後に素子や配線を形成するため、工程におけるダメージの影響を低減することができる。
【０１７３】
また、透光性基板１５を支持基板として薄厚化するため、支持基板を剥離する必要がなく、電極パッド１８も露出されているので工程が簡略化できる。
【０１７４】
また、電極パッド１８が露出されているため、ウェハレベルにおいてプローブ検査もできる。
【０１７５】
また、配線層１６上にさらに再配線層１９を形成し、光学デバイス１０の第２の面１１ｂ側表面（図中下）に外部端子２１を配置することが好ましい（図７（ｇ））。
【０１７６】
ここで、再配線層１９は１層以上の応力緩和層に電極パッド１８と外部端子２１とを電気的に接続する導電体２０が形成されている。
【０１７７】
このように、応力緩和層を介在することで実装応力の特性への影響を緩和することができる。そのため、電極パッド１８および外部端子２１を単位チップの面内の所望の位置に配置することができ、設計の自由度が増すため、配線抵抗の低減や省スペース化に有効である。
【０１７８】
また、以上のウェハプロセスを経て形成された光学デバイス１０は、例えば、透光性基板１５の上面をダイシングシート４１に貼り付けて、切削ブレード４２により単位チップ間のスクライブライン上をダイシングするなどの手法を用いて個片化される（図７（ｈ））。
【０１７９】
以上のようにして本発明の光学デバイス１０は形成され、個片化される。
【０１８０】
次に、本発明における光学デバイス１０の実装形態の一例としての応用例を説明する。
【０１８１】
図８は、本発明の光学デバイスの実装形態の一例を示す断面図である。図８は、光学デバイス１０の実装形態例として、光学デバイス１０を備えたレンズユニット４５を示している。
【０１８２】
図８に示すレンズユニット４５は、光学デバイス１０を備え、光学デバイス１０が配線基板４３に実装され、所望の位置に鏡筒４４を備えている。
【０１８３】
図９は、本発明の光学デバイスを備えたシステムの一例を示す模式図である。
【０１８４】
図９（ａ）は、光学デバイス１０の実装形態例として、受光型の光学デバイス１０を備えたシステムを示す模式図である。
【０１８５】
光学機器４６ａは、受光型の光学デバイス１０が搭載されたユニット４５ａが組み込まれており、入射光は光学機器４６ａで光電変換および信号処理がなされ画像などのデータ４７に変換される。ここで、受光型の光学デバイス１０としては撮像素子やフォトＩＣなどが挙げられ、カメラやビデオ、カメラ付携帯電話および光センサなどの光学機器に組み込まれて用いられる。
【０１８６】
一方、図９（ｂ）は、発光型の光学デバイスのシステムを示す模式図である。
【０１８７】
光学機器４６ｂは、発光型の光学デバイスが搭載されたユニット４５ｂが組み込まれており、画像などのデータ４７は光学機器４６ｂで光電変換および信号処理がなされて光信号として投影される。
【０１８８】
ここで、発光型の光学デバイスとしてはＬＥＤやレーザーなどが挙げられ、プロジェクターやモニターなどのディスプレイ装置や光学ドライブ、ポインタなどの光学機器に組み込まれて用いられる。
【０１８９】
このように、本発明に係る光学デバイス１０は、光学特性に優れたデバイス構造を実現できるので、小型化、薄型化および高機能化が必要なデジタルスチルカメラや携帯電話用カメラ、ビデオカメラ等のデジタル光学機器に適用できる。
【０１９０】
以上、光学特性に優れたデバイス構造を実現するとともに、製造工程におけるプロセスの簡略化と信頼性の向上をはかることができる。すなわち、本発明によれば簡易なプロセスで光学特性の信頼性を向上できる光学デバイスおよびその製造方法を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１９１】
本発明は、光学デバイスおよびその製造方法に利用でき、特に、小型化、薄型化、および高機能化が要求されるデジタルスチルカメラや携帯電話用カメラ、ビデオカメラ等のデジタル光学機器に用いられる光学デバイスおよびその製造方法に利用することができる。さらに、本発明の光学デバイスは、医療用機器にも利用可能であり、デジタル映像および画像処理機能やその他の光学機構を有する多種多様な機器および装置等において広範囲に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１９２】
【図１】本発明の実施形態に係る光学デバイスにおける概略断面構造の１例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る光学デバイスの要部構成の部分断面構造を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る光学部品における部分断面の１例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るデバイスの要部構成の部分断面構造の別の態様を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る光学デバイスに形成される遮光構造の１例を示す部分断面図である。
【図６】本発明の光学デバイスの製造方法の１例を説明するための断面図である。
【図７】本発明の光学デバイスの製造方法の１例を説明するための断面図である。
【図８】本発明の光学デバイスの実装形態の１例を示す断面図である。
【図９】本発明の光学デバイスを備えたシステムの１例を示す模式図である。
【図１０】従来の光学デバイスにおける断面構造の１例を示す図である。
【図１１】従来の光学デバイスにおける製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】従来の光学デバイスにおける製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【０１９３】
１０、８１０    光学デバイス
１１、８１１    半導体基板層
１２、９１２    光学素子集積領域
１３、９１３    周辺回路領域
１４    接着層
１５    透光性基板
１６、８１６    配線層
１８    電極パッド
１９    再配線層
２０    導電体
２１    外部端子
２２、８２２    Ｎ−型領域
２２ａ、８２２ａ    光電変換領域
２３、８２３    光電変換素子
２４、８２４    Ｎ＋領域
２５、８２５    Ｐ＋領域
２６、８２６    画素分離領域
２７、８２７    浅いＰ＋層
２８、８２８    転送トランジスタ
２９、８２９    ＦＤ
３０、８３０    Ｐ−層
３１、８３１    ＭＯＳＦＥＴ
３２、８３２    Ｐウェル
３３、８３３    ＮＭＯＳ
３４、８３４    ＰＭＯＳ
３５    光学部品
３６    トレンチ
３７、８３７    遮光膜  
３８、８３８    カラーフィルタ
３９、８３９    マイクロレンズ
４０、４０ｃ、８４０    金属配線
４０ａ、４０ｂ  遮光膜
８１８ａ    第１の電極パッド
８１８ｂ    第２の電極パッド
８４８    絶縁層
８４９    基板支持材
８４９ａ    第１の基板支持材
８４９ｂ    第２の基板支持材
８５０    導電体
【図１】
2010161321.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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