(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板内に複数の光電変換素子を形成する工程と、
前記半導体基板の前記複数の光電変換素子を形成した面に絶縁層を介して配線層を形成する工程と、
前記半導体基板の前記配線層が形成された面に熱硬化性の接着剤を介して支持基板を貼り合わせる工程と、
前記半導体基板と前記支持基板とを前記接着剤を介して貼り合わせ、前記接着剤が硬化しない温度において加圧し、仮接着を行う工程と、
前記接着剤が硬化しない温度において前記加圧を解除した後に、前記接着剤の硬化温度まで上昇して前記接着剤の硬化を行う工程と、
を備えることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項２】
前記仮接着を行う工程は、常温にて行う請求項１記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項３】
前記仮接着を行う工程を、前記接着剤が硬化しない温度まで加熱して行う請求項１記載の固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板内に複数の光電変換素子が形成される固体撮像素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フォトダイオード（ＦＤ）の開口面積を最大とすることを目的とした、いわゆる裏面照射型ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサの開発が進められている。すなわち、先ず、ＣＭＯＳイメージセンサを形成した例えばφ８インチＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板（デバイス基板）を、同じ大きさのシリコン（Ｓｉ）基板（支持基板）に貼り合わせ、ＳＯＩ基板側を研削、エッチングし、Ｓｉ活性層のみを支持基板に残す(裏面転写）。
【０００３】
そして、この転写された活性層の上に、カラーフィルタ（ＯＣＣＦ）、オンチップレンズ（ＯＣＬ）を形成することによって、最終的にフォトダイオード（ＦＤ）が上面に、配線層が下面に位置する裏面照射型ＣＭＯＳセンサが完成する。
【０００４】
ここで、上記の固体撮像素子の製造方法として、本願発明者らは、デバイス基板と支持基板とを貼り合わせるための熱硬化性の接着剤にベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を用いた基板貼り合わせ方法を開示している（特許文献１）。具体的な貼り合わせは、以下の条件で行う。
【０００５】
すなわち、接着剤層を成膜したデバイス基板（ウエハ）と支持基板（ウエハ）とを減圧雰囲気下で重ねあわせ、両ウエハに圧力をかけながら、接着剤の硬化温度（２００℃〜３５０℃）まで加熱し、貼り合わせる。この貼り合わせ方法は、ウエハ上に形成された耐熱性の低い材料（例えばＡｌ、Ｃｕ）よりなる配線層の劣化温度４５０℃よりも、低い温度で硬化が可能であるという利点がある。
【０００６】
また、接着剤を用いたウエハ貼り合わせ方法としては、特許文献２、３に開示される技術が挙げられる。特許文献２では、ウエハの貼り合わせに熱可塑性樹脂を用いており、加熱して樹脂の粘度を下げてから貼り合わせる技術が開示されている。また、特許文献３では、接着剤を用いてウエハと放熱板とを貼り合わせてから、個々のチップに分離する技術が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２８５９８８号公報
【特許文献２】特開平５−２９１２１７号公報
【特許文献３】特開平１０−１３５３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような基板の貼り合わせを行う製造プロセスでは、裏面転写されたシリコン活性層のフォトダイオード（ＦＤ）に対して、正確な位置にカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）、オンチップレンズ（ＯＣＬ）を形成する必要がある。したがって、フォトダイオード（ＦＤ）とカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）、オンチップレンズ（ＯＣＬ）の間にズレが生じた場合、隣接する画素に入射すべき光がフォトダイオード（ＦＤ）に取り込まれて混色を引き起こしたり、集光の焦点位置がずれてシェーディングが発生したりするため、固体撮像素子としての性能が低下してしまう。
【０００９】
このフォトダイオード（ＦＤ）とカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）、オンチップレンズ（ＯＣＬ）間のズレは、貼り合わせの際にシリコン活性層に歪みが生じることが原因である。歪みが生じたウエハはフォトダイオード（ＦＤ）の位置がずれているため、理想的な位置にカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）、オンチップレンズ（ＯＣＬ）を形成すると、結果的にフォトダイオード（ＦＤ）とカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）、オンチップレンズ（ＯＣＬ）間にズレが生じる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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、半導体基板内に複数の光電変換素子を形成する工程と、半導体基板の複数の光電変換素子を形成した面に絶縁層を介して配線層を形成する工程と、半導体基板の配線層が形成された面に熱硬化性の接着剤を介して支持基板を貼り合わせる工程と、半導体基板と支持基板とを接着剤を介して貼り合わせ、接着剤画工かいない温度において加圧し、仮接着を行う工程と、接着剤が硬化しない温度において加圧を解除した後に、接着剤の硬化温度まで上昇して接着剤の硬化を行う工程とを備える固体撮像素子の製造方法である。
【００１１】
また、半導体基板内に形成される複数の光電変換素子と、半導体基板の複数の光電変換素子を形成した面に絶縁層を介して形成される配線層と、半導体基板の配線層が形成された面に接着剤を介して支持基板とを備えており、半導体基板と支持基板とが接着剤を介して貼り合わされた状態で加圧され、この加圧を解除した後に接着剤が硬化している固体撮像素子である。
【００１２】
すなわち本発明では、半導体基板と支持基板との貼り合わせの工程を、減圧下、常温付近で行う仮接着と、加圧せずに加熱して接着剤を硬化させる本硬化との２段階に分けて行う。
【００１３】
例えば、接着剤としてＢＣＢを塗布したウエハ（半導体基板または支持基板）ともう一方のウエハ（支持基板または半導体基板）とを、先ず常温からＢＣＢのリフロー温度以下で加圧して、ウエハ同士を密着させ仮接着する。リフロー温度以下のＢＣＢ硬化前の状態で仮接着を行うことによって、接着剤硬化時のストレスによる影響を最小限に抑えられる。ここでリフロー温度とは、ＢＣＢが熱によって硬化する前の温度を言う。
【発明の効果】
【００１４】
したがって、本発明によれば、半導体基板と支持基板とを接着剤を介して貼り合わせ、この接着剤を加圧しながら加熱して硬化させる従来の方法に比べ、貼り合わせ時のパターン歪みを抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。
【００１６】
＜本実施形態に係る固体撮像素子＞
図１は、本実施形態に係る固体撮像素子の一例であるＣＭＯＳセンサの構造を説明する模式断面図である。すなわち、この固体撮像素子１は、ＣＭＯＳイメージセンサ２１および絶縁層を介した配線層２０が形成された例えばφ８インチＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板（デバイス基板２）と、このデバイス基板２と同じ大きさのシリコン（Ｓｉ）基板であって、デバイス基板２の配線層２０が形成された面（表面）に接着剤４を介して貼り合わされる支持基板３とを備えたもので、デバイス基板２と支持基板３とを貼り合わせた状態でデバイス基板２側を研削、エッチングし、シリコン活性層のみを支持基板３に残したものである（裏面転写)。
【００１７】
そして、この転写された活性層の上に、カラーフィルタ（ＯＣＣＦ）２２、オンチップレンズ（ＯＣＬ）２３を形成することによって、最終的にフォトダイオード（ＦＤ）が上面に、配線層２０が下面に位置する裏面照射型ＣＭＯＳセンサが完成している。
【００１８】
本実施形態では、この固体撮像素子１におけるデバイス基板２と支持基板３との貼り合わせにおいて、デバイス基板２と支持基板３とを接着剤４を介して貼り合わされた状態で加圧して常温もしくは常温から接着剤のリフロー温度以下の温度で仮接着を行い、その後、この加圧を解除した後に接着剤４を硬化させることで（接着剤硬化）、貼り合わせの際のパターン歪み（ＣＭＯＳイメージセンサの縦横方向の歪み）を抑制し、接着剤膜厚分布の均一化を図る点に特徴がある。
【００１９】
本実施形態の固体撮像素子で用いられるデバイス基板２は、例えばφ８インチＳＯＩ基板であり、このＳＯＩ基板のシリコン活性層に１つの光電変換素子（フォトダイオード（ＦＤ））と複数のＭＯＳ型のトランジスタとで構成される単位画素がマトリクス状に形成され、撮像領域を構成している。
【００２０】
また、撮像領域の周辺にはＣＭＯＳトランジスタから成る周辺回路（図示せず）が形成されるとともに、外部との配線を行うパッド（図示せず）が設けられている。単位画素に形成されたＭＯＳ型のトランジスタは、ＳＯＩ基板のシリコン活性層に形成され、周辺回路のＣＭＯＳトランジスタもＳＯＩ基板のシリコン活性層に形成される。
【００２１】
撮像領域および周辺回路の表面側（図中下側）には絶縁性を介して多層の配線層２０が形成されている。一方、デバイス基板２の裏面側（図中上側）には絶縁層を介して例えば図示しない反射防止膜や平坦化膜が形成され、さらに、各単位画素のフォトダイオード（ＦＤ）に対応して、カラーフィルタ（ＯＣＣＦ）およびオンチップレンズ（ＯＣＬ）が形成されている。
【００２２】
デバイス基板２は裏面側を表にして支持基板３と貼り合わされ、表面側を研削、エッチングしてフォトダイオード（ＦＤ）が形成されたシリコン活性層を露出させ、各画素単位のフォトダイオード（ＦＤ）に対応してカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）およびオンチップレンズ（ＯＣＬ）が形成される。これにより、デバイス基板２の裏面側に設けられたオンチップレンズ（ＯＣＬ）およびカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）を介してフォトダイオード（ＦＤ）に光が取り込まれることになる。デバイス基板２の裏面側にはフォトダイオード（ＦＤ）のマトリクスのみが露出するため、配線層２０等の影響を受けることなく大きな受光面積を得ることが可能となる。
【００２３】
このような構造から成る本実施形態の固体撮像素子１では、デバイス基板２と支持基板３との貼り合わせに接着剤を用いており、この接着剤として熱硬化型樹脂を適用している。また、デバイス基板２と支持基板２とを接着剤を介して貼り合わせた状態で加熱によって硬化させるにあたり、貼り合わせた両基板を加圧した状態で接着剤が硬化しない温度（常温もしくは常温から接着剤のリフロー温度以下の温度）で仮接着を行い、その後、この加圧を解除した後に硬化温度まで加熱して接着剤４を硬化させている。ここで、リフロー温度とは、接着剤４が熱によって硬化する前の温度を言う。
【００２４】
これにより、重ね合わせた両基板を加圧する際には接着剤４は硬化前であることから、加圧によるストレスを吸収しつつ膜厚を均一に保ち、その後、加圧を解除した状態で加熱して接着剤４を硬化する、加圧によるストレスがかからない条件で接着剤の硬化を行うことができ、シリコン活性層の歪みを低減できるようになる。
【００２５】
基板貼り合わせ時にシリコン活性層の歪みが低減できることで、シリコン活性層に形成したフォトダイオード（ＦＤ）の表面方向における歪みを抑制でき、これに対応して形成されるカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）およびオンチップレンズ（ＯＣＬ）の光学的な位置合わせを正確に行うことが可能となる。
【００２６】
＜本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法＞
次に、本実施形態に固体撮像素子の製造方法（特に、デバイス基板と支持基板との貼り合わせ方法）を、従来の製造方法との対比によって説明する。図２は、従来のデバイス基板と支持基板との貼り合わせ方法を説明するフローチャート、図３は、本実施形態に係るデバイス基板と支持基板との貼り合わせ方法を説明するフローチャートである。なお、両フローチャートとも、デバイス基板には先に説明したフォトダイオードやトランジスタ等の回路が既に形成されているものとする。
【００２７】
（従来の貼り合わせ方法）
図２に示すように、先ず、デバイス基板と支持基板とを接着剤を介して重ね合わせる（ステップＳ１１）。ここで、接着剤としては、熱硬化型樹脂である例えばＢＣＢを使用し、貼り合わせる片方の基板の表面にＢＣＢを成膜し、他方の基板と接触しないようフラグをはさんで重ね合わせ、チャンバにセットする。
【００２８】
次いで、チャンバ内を減圧した後（ステップＳ１２）、基板間にはさんだフラグを引き抜き、デバイス基板と支持基板とを重ね合わせる（ステップＳ１３）。その後、重ね合わせた基板を上下から平坦なチャックで挟み、所定の加重をかける（ステップＳ１４：ピストンＤｏｗｎ）。そして、加重とともにチャックを常温から接着剤の硬化温度まで加熱する（ステップＳ１５）。
【００２９】
温度上昇して接着剤を硬化させた後、冷却する（ステップＳ１６）。冷却した後、チャックによる加重を開放する（ステップＳ１７：ピストンＵｐ）。
【００３０】
このような従来の貼り合わせ方法では、加圧しながら加熱することによってデバイス基板と支持基板とを密着させながら接着剤であるＢＣＢを硬化させているが、この貼り合わせ方法では基板間に加重をかけながら接着剤の硬化を行うため、加圧のストレスを受けながら接着剤が硬化し、このストレスがデバイス基板に達することになる。そして、このストレスによってデバイス基板に形成したＣＭＯＳイメージセンサのパターン歪みが発生することになる。
【００３１】
（本実施形態の貼り合わせ方法）
そこで、本実施形態では、加熱と加圧とを分離する方法を適用し、貼り合わせ時に生じるパターン歪みを抑制している。すなわち、本実施形態では、デバイス基板と支持基板との貼り合わせの工程を、減圧下、常温付近で行う仮接着の段階と、加圧せずに加熱する接着剤の硬化の段階との２つの段階に分けて行うことを特徴としている。
【００３２】
図３に示すように、先ず、デバイス基板と支持基板とを接着剤を介して重ね合わせる（ステップＳ２１）。貼り合わせる片方の基板の表面にＢＣＢを成膜し、他方の基板と接触しないようフラグを挟んで重ね合わせ、チャンバにセットする。
【００３３】
次いで、チャンバ内を減圧した後（ステップＳ２２）、基板間に挟んだフラグを引き抜き、デバイス基板と支持基板とを重ね合わせる（ステップＳ２３）。ここまでは図２に示す従来の基板貼り合わせ方法と同じである。
【００３４】
次に、重ね合わせた基板を上下から平坦なチャックではさみ、加重をかける（ステップＳ２４：ピストンＤｏｗｎ）。この際、チャンバ内の温度を常温、または常温から接着剤であるＢＣＢのリフロー温度以下の温度にした状態で加圧して基板同士を密着させ、接着剤による仮接着を行う。接着剤のリフロー温度以下では、接着剤は未だ硬化しておらず、この状態で基板間に加重をかけて仮接着することにより、チャックからの加重によるストレスの影響を最小限に抑えることができる。また、これと同時に接着剤の膜厚均一性の悪化を防ぐことができる。
【００３５】
次に、チャックによる基板間のプレス圧力を開放し（ステップＳ２５：ピストンＵｐ）、その後、接着剤の硬化温度まで加熱する（ステップＳ２６）。
【００３６】
この加熱では、重ね合わせた基板に加圧によるストレスがかからないことから、この条件で接着剤を硬化させることによりシリコン活性層（ＣＭＯＳイメージセンサ）の歪み（パターン歪み）を低減することができる。
【００３７】
温度上昇して接着剤を硬化させた後は、温度を硬化温度から１００℃程度の温度まで冷却する（ステップＳ２７）。
【００３８】
（具体例）
次に、本実施形態の貼り合わせ方法の具体例を説明する。なお、ここでは、デバイス基板および支持基板として半導体のウエハを用いるものとする。接着剤としてＢＣＢ（Cyclotene：ダウケミカル社製）を用いるものとする。
【００３９】
先ず、貼り合わせる片方のウエハ（基板Ａ）の表面に、接着剤であるＢＣＢを成膜する。次に、この基板Ａと貼り合わせを行う支持基板（基板Ｂ）とが接触しないようにフラグをはさんで重ね合わせ、チャンバにセットする。
【００４０】
次いで、チャンバ内を減圧（１０-2ｍｂａｒ以下）にした後、ウエハ間（基板Ａ−Ｂ間）にあるフラグを引き抜き、両ウエハを重ね合わせる。重ね合わせたウエハを上下から平坦なチャックで挟み、ＢＣＢ硬化温度以下の温度、好ましくは常温〜２００℃で、加重１０００Ｎ〜７０００Ｎ、好ましくは５０００Ｎ以下で仮接着を行う。
【００４１】
次に、仮接着した両ウエハについて、チャックによるプレス圧力を開放した後、加熱を行う。その際の到達温度は接着剤であるＢＣＢの硬化温度２００℃以上である。好ましくは３３０℃である。
【００４２】
図４は、本実施形態に係る基板貼り合わせ条件と歪み、平面度（ＬＴＶ：Local Thickness Variation)の結果を示す図である。このうち、Ｎｏ．１〜３が本実施形態、ｒｅｆが従来の貼り合わせ条件である。図４に示す貼り合わせ条件は、仮接着の際の基板間圧力（Ｎ）、仮接着の際の温度（℃）、各対応する条件で接着剤硬化後のパターン歪みデータ（表面方向Ｘ，Ｙの％）、平面度（接着剤（ＢＣＢ）の膜厚均一性）ＬＴＶ（μｍ）を示している。ここで、パターン歪みのデータは、従来の貼り合わせ方法を１００とした場合の相対的な値となっている。したがって、歪みが全くない場合は０％となる。
【００４３】
図４に示すように、Ｎｏ．１〜３のいずれの条件であっても、仮接着温度が接着剤（ＢＣＢ）のリフロー温度以下である５０℃となっており、接着剤硬化後のパターン歪みとして、従来比の２８％〜５１％と良好な結果を得ている。
【００４４】
また、ＢＣＢの膜厚均一性も平面度ＬＴＶで０．８μｍ以下であり、加熱と加圧を同時に行う従来貼り合わせ（ＬＴＶで１．５μｍ)に比べて良好な値を得ている。
【００４５】
＜実施効果＞
デバイス基板を用いて本実施形態の方法で支持基板と貼り合わせ、パターン歪み量を測定した結果、従来方法の歪みを１００とすると、本実施形態の貼り合わせ方法のうち良好な条件では、２８〜５１と歪みの少ないウエハを製造することができる。
【００４６】
さらに、ＢＣＢの膜厚が均一に保たれることから、貼り合わせ後のＬＴＶが０．８μｍ以下と良好な結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本実施形態に係る固体撮像素子の一例であるＣＭＯＳセンサの構造を説明する模式断面図である。
【図２】従来のデバイス基板と支持基板との貼り合わせ方法を説明するフローチャートである。
【図３】本実施形態に係るデバイス基板と支持基板との貼り合わせ方法を説明するフローチャートである。
【図４】本実施形態に係る基板貼り合わせ条件と歪み、平面度（ＬＴＶ)の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…固体撮像素子、２…デバイス基板、３…支持基板、４…接着剤、２０…配線層、２１…ＣＭＯＳイメージセンサ、２２…カラーフィルタ、２３…オンチップレンズ
【図１】
0005286820.tif 000002
【図２】
0005286820.tif 000003
【図３】
0005286820.tif 000004
【図４】
0005286820.tif 000005