(57)【要約】本発明は、小型カメラ用のカラー画像センサの製造方法に関する。当該製造方法は：シリコンウェハ（１０）の前面に、画像検出回路を備え且つそれぞれが各画像センサに対応する一連の活性領域（ＺＡ）を形成することと、ここで各活性領域は入力／出力接続パッド（２２）に囲まれている；ウェハの前面を支持基板（２０）の前面に対して移載することと；画像検出回路を備える薄いシリコン層（３０）を基板に残して、シリコンウェハの厚さの大部分を除去すること；からなる。当該方法は：このようにして薄化されたシリコンウエハ上に、カラーフィルタ層（１８）を堆積させ、次いでエッチングすることを備えることと；基板が、移載中に各活性領域のパッド（２２）と向かい合う位置に来るように該パッド（２２）と同一の形状に設計された接続パッド（３２）を備え、接続ボール（３４）を設けて、該基板（２０）の個々の接続パッド（３２）をシリコンウェハ（１０）の対応する接続パッド（２２）にはんだ付けすることと；最後に、カラーフィルタの堆積及びエッチングの後、基板を個々のセンサに切り分けること；を特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
−半導体ウェハ（１０）の前面に、画像検出回路を備え、それぞれが各画像センサに対応する一連の活性領域（ＺＡ）を形成することと、ここで各活性領域は入力／出力パッド（２２）に囲まれている
−ウェハの前面を支持基板（２０）の前面に対して移載することと、
−画像検出回路を備える薄い半導体層（３０）を基板に残して、半導体ウェハの厚さの大部分を除去することと、
からなる画像センサの製造方法であって、
−第一に、このようにして薄化された半導体層上に、カラーフィルタの層（１８）を堆積させ、次いでエッチングすることと、
−第二に、基板が、移載中に各活性領域のパッド（２２）と向かい合う位置に来るように該パッド（２２）と同一の形状に設計された接続パッド（３２）を備え、該基板（２０）の個々のパッド（３２）を半導体ウェハ（１０）の対応するパッド（２２）にはんだ付けすることと、
−最後に、カラーフィルタの堆積及びエッチングの後、基板を個々のセンサに切り分けることを特徴とする方法。
【請求項２】
支持基板（２０）が、半導体層に含まれる画像検出回路と関連する回路を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
半導体ウェハの薄化後、深い孔（４５）が残りの半導体層（３０）の厚さ中に形成され、これらの孔は、基板への移載前にウェハ（１０）上に予め形成された接続パッド（２２）の下方面まで続くことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
薄化後に残る半導体層（３０）の残りの厚さが約５ないし２０マイクロメートルであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
基板とシリコンウェハの接着の剛性を向上するために、接続パッド（２２）間の隙間に、充填材（３６）が注入されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
カラーフィルタ（１８）で覆われた薄化された半導体層（３０）上に、透過性材料のシート又は保護層が配置されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子画像センサ、特に携帯電話に組み込まれるような小型カメラの製造を可能にする寸法の、非常に小さなサイズのセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に小型であるだけでなく、この種の画像センサは、弱い光の下でも高感度を有し、高い測色性能を有しているべきである。
さらに、価格が法外にならないように最も経済的な方法でカメラ全体を製造する必要がある。
このことを達成するために、第一に、画像センサと電子処理回路を、可能であれば同じシリコン基板上に製造することが求められ、第二に、様々な層の堆積、エッチング、熱処理作業等を、同一のセンサを多数含むシリコンウェハ上で可能な限り集約的に行い、次いで該ウェハを独立したセンサに切り分けることが求められる。
しかし、これまでに提案されてきたカラー画像センサの製造方法及びそれらセンサの構造は、この点から見て完全に満足のいくものではない。その製造方法は産業上効果的でなく；依然として非常に高価であり、大量生産に適用するには効率が低すぎ、そうでない場合は、画像センサの性能が十分でない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、高い品質と、特に非常な小型性、高感度及び高い測色性能を有しつつも製造コストを最小限に抑える製造方法と、それに対応する画像センサを提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
このために、本発明は：
−好適には単結晶シリコンでできた半導体ウェハの前面に、画像検出回路を備え且つそれぞれが各画像センサに対応する一連の活性領域を形成することと、ここで各活性領域は入力／出力パッドに囲まれている
−ウェハの前面を支持基板の前面に対向して移載することと、
−画像検出回路を備える非常に薄い半導体層を基板に残して、半導体ウェハの厚さの大部分を除去することからなり、
−第一に、このようにして薄化された半導体層上に、カラーフィルタの層を堆積させ、次いでエッチングすることと、
−第二に、基板が、移載中に各活性領域のパッドと向かい合う位置に来るように該パッドと同一の形状に設計された接続パッドを備え、該基板の個々のパッドを半導体ウェハの対応するパッドにはんだ付けすることと、
−最後に、カラーフィルタの堆積とエッチングの後、基板を個々のセンサに切り分けることを特徴とする画像センサの製造方法を提案する。
【０００５】
基板は、薄化前、薄化中又は薄化後の半導体ウェハを堅固に保持するための単なる支持基板であってよい。
しかし、相互接続パッドを有する基板が相互接続導体をも有し、場合によっては、能動及び受動回路要素、例えば半導体ウェハにある画像検出回路用の制御回路、又はさらには画像センサと関連する信号処理回路をも有するように計画することもできる。
半導体ウェハの薄化後、原則的には深い孔が残りの半導体層の厚さ中に形成されることとなる。これらの孔は、基板への移載前にウェハ上に予め形成された接続パッドの下方面まで続く。これらの孔によりパッドへのアクセスが可能となり、よって該パッドはセンサの入力／出力パッドを構成する。
半導体ウェハの基板への移載は、ウェハと基板のパッドが向かい合って接触している間に、例えばパッドに配置されたインジウムボールを用いたボールリフローによって行われる。
【０００６】
ウェハの活性領域は感光要素のマトリクスを備え、さらに該マトリクスの制御回路と、活性領域の感光要素から発される信号を受信する、それに関連する画像処理回路を備える。
基板への移載後且つカラーフィルタの堆積前に、半導体ウェハの薄化を多くの様々な方法：ラッピングによる薄化、化学的な薄化、両方のタイプの薄化の組合せ（まず機械的な薄化を施し続いて化学的な仕上げ、又は化学薬品の存在下での機械加工）で行うことができる。薄化は、所望の切断平面でウェハを予め脆化することによって、特に所望の切り分け面での深さ方向への水素注入によっても行うことができる。この場合、水素注入は、基板へのウェハの移載前、半導体ウェハに浅く行われる。次いで、基板と接触する薄い半導体層を残して、注入された切り分け面のレベルでウェハを分離する熱処理によって、薄化が行われる。
ウェハの非常に良好な薄化により、移載前は数百マイクロメートルだったその厚さが、基板への移載後は３ないし２０マイクロメートルに減る。薄化は、測色性能と感度を向上するため、センサの品質における重要な要因である。薄化されていないセンサで、画像検出回路を定義する複数の絶縁及び導電層が形成されている側から光が照射されると、カラーフィルタを横断した光は、異なる色に対応する感光ドットに散乱され、測色性能が低下する。さらに、薄いセンサでは、薄化されていないセンサの場合よりも光子がより広いシリコン領域に到達するため、感度が向上する。これは、光子が、各感光ドットに対応する表面領域の大部分を占める不透過性の金属層によっては遮断されないからである。
【０００７】
しかしながら、薄化後、シリコンは剛性を失い非常に脆くなるので、薄化によって製造における問題が複雑化することと、さらには画像検出回路と外部を接続する問題が生じることが理解されるであろう。本発明の解決策は、この難題を軽減し、効率の高い画像センサの製造を可能にするものである。
【０００８】
例えば、直径１５ないし２０センチメートルの基板の場合、基板の厚さは約５００マイクロメートルである。シリコンウェハの厚さは、薄化前は５００ないし１０００マイクロメートルで（直径１５ないし３０センチメートルの場合）、薄化後は３ないし２０マイクロメートルである。
基板とシリコンウェハの接着の剛性を向上するために、接続パッド間の隙間には通常、充填材（樹脂）が注入される。この充填材はウェハの能動回路要素を保護する。
センサは、支持基板側ではなく、薄化シリコン層側から照射される。
最後に、カラーフィルタで覆われた薄化シリコン層上に、透過性シート又は保護層を配置することができる。これらの作業は、分離された個々のセンサ上で、又は好ましくは個々のセンサに切り分けられる前にウェハ形状の基板上で行われる。
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【０００９】
図１は、複数の画像センサの画像検出回路が従来技術を用いてつくられたシリコンウェハの一般的な構造を示す。
シリコンウェハ１０は、直径１５０ないし３００ミリメートルの場合、数百マイクロメートルの厚さを有する。
画像検出回路（感光ドット、トランジスタ及び配線のマトリクス）がシリコンウェハの一面に加工され、この面は前面と呼ぶことができ、図１における上方面である。加工とは、第一に、特に感光領域１２を形成するためにウェハの上方面からシリコンに行われる様々な拡散及び注入作業を意味し、第二に、感光領域１２の最表面にスタックを形成する導電層１４及び絶縁層１６の堆積及びエッチングのための連続的な作業を意味する。絶縁及び導電層は画像検出回路の一部をなし、センサに映された画像によって感光領域に生成される電荷の収集を可能にする。
導電層１４の１つ、原則的には最後に堆積された層が、感光ドットのマトリクスを備える活性領域の周辺に各センサの入力／出力パッド（図１には図示せず）を形成するために使用される。これらのパッドは、場合によっては凹凸を除去するように設計された平坦化層で覆われているシリコンウェハの上方面と同一平面で重なり、エッチングされた層１４及び１６のスタックの形成後、ウェハ表面に窪みができる。
【００１０】
センサが従来技術によって製造される場合、モザイク状のカラーフィルタはウェハ表面に堆積されることになる。
本発明では、この段階ではカラーフィルタは堆積されず、ウェハの前面が支持基板２０（図２）に移載される。支持基板は、製造中の構造の剛性を確保するためにウェハ１０と同一の直径と類似の厚さを有するウェハである。また、別のシリコンウェハで構成されてもよい。
【００１１】
図２は、活性領域ＺＡと該領域ＺＡ周辺の接続パッド２２を備える独立したセンサの全体を示すために、図１よりも小さい尺度で構造を表したものである。
支持基板２０は、その前面（図２では下方を向く）に、パッド２２と向かい合うように正確に配置されている導電パッド３２を有する。シリコンウェハ１０は、シリコンウェハの表面全体にわたってパッド２２をパッド３２にはんだ付けすることで基板２０に移載される。
はんだ付けは、ウェハのパッド２２か又は支持基板のパッド３２に予め付着されはんだ付けされたボールリフロー（例えばインジウムボールを用いた）３４によって行うことができる。
図３に見られるように、充填樹脂３６は、パッド２２と３２に占領されていない、ウェハと基板の間の空間に注入されることが好ましい。この樹脂は、シリコンウェハの薄化作業後の構造に機械的な堅固性を提供する。
【００１２】
シリコンウェハの前面が支持ウェハに移載された後、層１４、１６のスタックの厚さを含めて約８ないし３０マイクロメートルの厚さだけが残るように、シリコンウェハ１０の厚さの大部分が除去される。シリコンウェハの残る部分は、数マイクロメートル（例えば５ないし１０マイクロメートル）の層１４、１６のスタックの重畳と、約３ないし２０マイクロメートルの、感光領域１２を含む残りのシリコンの厚さだけである。該残りの厚さは、図１の感光領域１２を含む図３の層３０の厚さである。
【００１３】
薄化作業は、機械加工（ラッピング）を施し、仕上げに化学加工することによって、又は化学加工のみによって、又は化学薬品の存在下での機械加工によって、又は薄化シリコン層の境界を定める平面に脆化不純物を予め注入することを必要とする特定の分離方法によって行うことができる。
不純物の注入によって分離する場合、注入はシリコンウェハを支持ウェハに移載する前に行わなくてはならない。実際に、注入はシリコンウェハの前面に、該ウェハの全表面にわたって、切り分け面を定義する深さで行われる。事前の注入は水素注入であることが好ましい。これは、ウェハ製造の様々な段階で行うことができるが、注入された切り分け面に沿ったウェハの厚さの分離は、シリコンウェハが支持ウェハに取り付けられた後にしか行えない。
【００１４】
薄化されたシリコン層３０の上方面を、表面の不具合を解消するために処理（ファインラッピング、化学洗浄、機械／化学研磨等）することができ、概略的な構造が図２のものである複数センサのウェハをつくり出すことができる。
続いて、モザイク状のカラーフィルタ１８が層３０（図４）の表面に堆積される。しかし、カラーフィルタの堆積前に、特に保護層、反射防止層、電気活性層といった、一又は複数の付加的な層を堆積させることができる。
必要であれば、平坦化層２４がモザイク状フィルタ上に堆積される。該層は透過性でなければならない。
【００１５】
シリコンウェハの前面に形成された接続パッド２２の背面に電気的にアクセスできるように、カラーフィルタの配置前又は後に孔４５が薄化シリコンウェハに形成される。
図４の左側部分に見られるように、直接これらの孔内で電気的アクセスが得られる。この場合、ワイヤ４３が孔４５内のパッドにはんだ付けされる。電気的アクセスは、孔４５内でパッド２２と接触し且つ一部分が孔４５の外側にある導電層４７を再堆積することで、間接的に得ることも可能である。当該変形例は図４の右側に示されており、特にプリント回路基板への「フリップチップ」タイプの移載を可能にするものである。この目的で、導電ボス４９が金属部分４７上に形成されうる。
【００１６】
カラーフィルタの配置、及び接続パッド２２へのアクセスを可能にする孔の形成後、カラーフィルタ１８と同じ間隔ピッチを有するマイクロレンズのマトリクス、又は画像センサ用の個々のレンズ、又はガラスフィルムを、構造の背面（照射されることとなる面）に堆積させてもよい。これらの要素は図示していない。
【００１７】
このようにつくられた接続パッドを用いて、基板２０上に形成された構造をウェハ上で検査できることに注目されたい。該検査は、光の下、画像パターン下等で実施できる。
構造は、加工プロセスの最後にのみ、パッケージングのために各センサに切り分けられる。
最後に、基板２０自体が、相互接続、又はさらにはセンサの画像検出回路と関連するように設計された集積回路（例えば、シリコンウェハ１０に含まれる感光マトリクスの行列制御信号のシーケンシングのための制御回路）が形成されているシリコン基板によって構成されてよい。そうすると、基板２０に含まれるこれら集積回路の入力／出力パッドが、センサの画像検出回路の入力／出力パッドとの電気的接続ポイントとして機能でき、且つウェハ１０の基板２０への移載のためのはんだ付けスポットとして機能できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】カラーフィルタ配置前のシリコンウェハ上につくられた画像センサの構造を示す。
【図２】シリコンウェハの前面を支持基板に移載する作業を示す。
【図３】薄化後のシリコンウェハを有する支持基板を示す。
【図４】モザイク状のカラーフィルタが堆積されており且つ接続パッドへのアクセス孔が形成されている薄化シリコン層を支える支持基板を示す。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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