(57)【要約】  光電変換素子を透過した赤色光を効率よく光電変換素子に向けて反射することができて優れた赤色光感度を有し、かつ、素子形成時の基板ハンドリングが容易である固体撮像素子を提供する。固体撮像素子は、半導体層（２０）内に複数の光電変換素子２１が二次元状に配列されて構成されている。そして、半導体層（２０）は、表面に層間絶縁層（２２）と複数の光反射構造（１４）とが形成された支持基板（１０）上に形成されている。光反射構造（１４）は、光透過層（１１）と該光透過層（１１）の表面を覆う曲面形状からなる反射金属（１２）とを有し、かつ、各光電変換素子（２１）の裏面側にそれぞれ配置されている。層間絶縁層（２２）は、隣り合う光反射構造（１４）の間に位置している。
2018105558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層内に複数の光電変換素子が二次元状に配列され、
前記半導体層の光入射側とは反対側の面側に、前記半導体層側の面に対し層間絶縁層と複数の光反射構造とが形成された支持基板が設けられ、
前記光反射構造は、光透過層と、該光透過層の前記半導体層とは反対側の表面を覆う反射金属とを有し、かつ、前記光反射構造は、前記各光電変換素子とそれぞれ対向する位置に形成され、
前記反射金属は、前記光電変換素子側の面が前記光電変換素子側に凹の曲面形状となっており、
前記層間絶縁層は、隣り合う前記光反射構造の間に位置していることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記光反射構造は、前記半導体層側に平面を有するように配置された半球形状であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記支持基板の材質は石英又はシリコンであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子は、半導体層に光を吸収して電荷を発生するＣＭＯＳタイプ又はＣＣＤタイプの光電変換素子を二次元的に配列し、発生した電荷を外部へ電気信号として転送するものである。このような固体撮像素子は、テレビカメラ、デジタルスチルカメラなどに広く用いられている。
固体撮像素子上の光電変換素子は、ｐｎ接合によるシリコンフォトダイオードで形成されることが一般的である。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。【０００３】
光電変換素子に入射した光の強度は、光子が半導体中で吸収され電子−正孔対を生成するため、内部に進むに従い急激に減衰していく。吸収の割合は光吸収係数に依存し、長波長の光ほど同じ距離を浸透した時の吸収の割合が少ない。そのため、波長が長い赤色光が半導体内で吸収されず、赤色光感度が低下する問題があった。
特許文献１に開示されている従来技術は、光電変換素子を透過した長波長領域の光を再利用するために、光電変換素子の裏面に金属反射面が形成されている裏面照射型の固体撮像素子である。【０００４】
また、特許文献２に開示されている従来技術は、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である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１７７７０５号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１９４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、形成された金属反射鏡が平面であるため、金属反射鏡で反射する光の角度を制御できず、効率よく光を光電変換素子に再入射できないという問題があった。また、特許文献２では、基板の表裏両面に機能性素子を形成する必要があるため、表面素子形成後に裏面素子を形成する際、又は両面への素子形成後にパッケージングを行う際に、ステージ上に基板を直接置くことが不可能になる等、基板ハンドリングが困難になるという問題があった。
本発明は、上記問題を解決するために提案されるものであり、光電変換素子を透過した赤色光を効率よく光電変換素子に向けて反射することができて優れた赤色光感度を有し、かつ、素子形成時の基板ハンドリングが容易である固体撮像素子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】
【０００７】
本発明の一態様に係る固体撮像素子は、半導体層内に複数の光電変換素子が二次元状に配列され、前記半導体層の光入射側とは反対側の面側に、前記半導体層側の面に対し層間絶縁層と複数の光反射構造とが形成された支持基板が設けられ、前記光反射構造は、光透過層と、該光透過層の前記半導体層とは反対側の表面を覆う反射金属とを有し、かつ、前記光反射構造は、前記各光電変換素子とそれぞれ対向する位置に形成され、前記反射金属は、前記光電変換素子側の面が前記光電変換素子側に凹の曲面形状となっており、前記層間絶縁層は、隣り合う前記光反射構造の間に位置していることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様である固体撮像素子では、光電変換素子に入射した光のうち、光電変換素子で吸収されきれず半導体層を通過した赤色光が、光電変換素子の裏面側に設けられた光反射構造によって反射され、光電変換素子に効率的に再入射する。このため、本発明の一態様によれば、赤色光感度が優れている。
また、半導体層が支持基板に支持され、光反射構造は半導体層と支持基板の間に位置することから、支持基板の裏面に入射光を反射するための機能性素子を形成する必要がない。そのため、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、素子形成時の基板ハンドリングが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の概略構造を説明する模式的断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を説明する模式的断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を説明する模式的断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を説明する模式的断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を説明する模式的平面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を説明する模式的断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を説明する模式的断面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を説明する模式的断面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を説明する模式的断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を説明する模式的断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を説明する模式的断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造工程を説明する模式的断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の効果を説明する模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
ここで、図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造等が下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１１】
＜構成＞
本実施形態の固体撮像素子は、図１に示すように、複数の光電変換素子２１が二次元状に配列された半導体層２０を備え、半導体層２０の光入射側（図１においては上方）に、カラーフィルタ２４及びマイクロレンズ２５がこの順に形成されている。半導体層２０内において、複数の光電変換素子２１は、素子分離壁２６で画素単位に分離されている。
また、本実施形態の固体撮像素子は、半導体層２０の裏面側（光入射側とは反対の面側）に支持基板１０が設けられ、半導体層２０は支持基板１０に支持されている。その支持基板１０の表面（半導体層２０側の面）側に、層間絶縁層２２と複数の光反射構造１４とが形成されている。
【００１２】
具体的には、支持基板１０の表面上に平坦化層１３が形成され、その平坦化層１３の表面を覆うように膜状の反射金属１２が形成されている。その反射金属１２の上に、光透過層１１と、層間絶縁層２２とが設けられている。反射金属１２は、膜状である必要はなく、光電変換素子２１側を向く面が、光電変換素子２１側に凹の曲面形状となっていれば良い。
光透過層１１は、各光電変換素子２１それぞれと上下に対向する位置、つまり各光電変換素子２１の裏面側に設けられている。光透過層１１は、半導体層２０側の面が平面になっていると共に、支持基板１０側の面が、支持基板１０側に凸の半球形状に形成されている。
【００１３】
本実施形態では、反射金属１２のうち、光透過層１１における凸の半球形状の面と対向する部分は、光透過層１１の半球形状の表面(球面)に沿った半球形状となっている。そして、この半球形状の反射金属１２と光透過層１１とによって、半球状の光反射構造１４が構成される。これにより、光反射構造１４は、半球形状における球面を裏面側（支持基板１０側）に向け、平面を半導体層２０側（すなわち光入射側）に向けて配置されている。
光透過層１１における凸の半球形状の面と対向する反射金属１２の形状は、光電変換素子２１に凹、すなわち支持基板１０側に凸の曲面形状となっていれば良く、球の一部に限定されず、楕円形状等の一部などから構成されていても良い。
層間絶縁層２２は、各素子分離壁２６の裏面側、すなわち隣り合う光反射構造１４の間に配置され、その層間絶縁層２２内に対し配線２３が配置されている。
【００１４】
＜作用その他＞
本実施形態の固体撮像素子は、光電変換素子２１に入射した光のうち光電変換素子２１で吸収されずに透過し半導体層２０を通過した赤色光が、光電変換素子２１の裏面側に設けられた光反射構造１４で反射して光電変換素子２１に向かう。この結果、半導体層２０を通過した赤色光が、光電変換素子２１に効率よく再入射されるため、本実施形態の固体撮像素子は、優れた赤色光感度を有している。
また、光反射構造１４は、半球形状などの光電変換素子２１側に凹の曲面形状を有するため、光反射構造１４の球面（半球形状の反射金属１２）で反射した光は、その光が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に入射することによる混色が生じにくい。
【００１５】
さらに、本実施形態の固体撮像素子は、光反射構造１４が半導体層２０と支持基板１０の間に位置することから、支持基板１０の裏面には特に入射光を反射する機能性素子を形成する必要がない。このため、製造工程中に、ステージ上へ支持基板１０を直接置くことが可能であり、固体撮像素子の形成時における支持基板１０のハンドリングが容易である。
このような本実施形態の固体撮像素子は、裏面照射型固体撮像素子であり、ＣＭＯＳイメージセンサ、ＣＣＤイメージセンサなどの固体撮像素子として利用可能である。
【００１６】
＜製造方法＞
次に、図１に示した本実施形態の固体撮像素子の製造方法について、図２〜図１２を参照して説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず、図２に示すように、半導体基板３０の内部に対して、公知の方法によって光電変換素子２１を形成する。半導体基板３０は、後の工程で支持基板１０と貼り合わせた後に、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型又はｎ型のシリコン基板である。なお、図２における上側が光電変換素子２１の裏面側となる。
【００１７】
光電変換素子２１として、フォトゲート又はフォトダイオードなどが用いられるが、電荷転送率の高さから埋め込み型のフォトダイオードを用いることが望ましい。また、図示しないが、光電変換素子２１を形成すると同時に固体撮像素子の駆動に必要な素子を画素内に形成する。例えばＣＣＤイメージセンサの場合は、垂直転送ＣＣＤを光電変換素子２１と共に形成する。一方、ＣＭＯＳイメージセンサの場合は、浮遊拡散層アンプ、電荷転送用トランジスタ等の素子を光電変換素子２１と共に形成する。
光電変換素子２１及びその他の素子を形成した後、信号電荷や信号電圧を転送するための、又はトランジスタを駆動するための配線２３を形成する。また、固体撮像素子の構造によっては複数の配線２３が必要になるため、各配線２３間に層間絶縁層２２を形成する（図３を参照）。
【００１８】
層間絶縁層２２の材料には、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を用いる。また、層間絶縁層２２の形成は、常圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＥ−ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  −  ＣＶＤ）等の方法によるが、本実施形態はそれらに限るものではない。
配線２３の材料には、金属材料又はそれを用いた合金等を用いることができる。金属材料としては、アルミニウム、銅、クロム等が例示できる。そして、使用する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、半導体基板３０の上に、図３に示すような層間絶縁層２２並びに配線２３を形成することができる。
【００１９】
次に、層間絶縁層２２内に光反射構造１４を形成するため、フォトレジスト１５を塗布し、図４及び図５に示すようなパターニングを行う。パターニング後のフォトレジスト１５は、光電変換素子２１上に位置する半球形状パターン１５ａ、及び、配線２３上に位置する矩形状パターン１５ｂよりなる。矩形状パターン１５ｂは、図５の平面図に示すように、二次元状に配列された半球形状パターン１５ａを囲うように井桁形状に形成する。
図４に示すように、半球形状パターン１５ａと矩形状パターン１５ｂの高さは同一ではなく、高さは、形成したい光反射構造１４の構造に従って設定する。層間絶縁層２２の膜厚をＨ、光電変換素子２１の幅をＷとすると、例えば、光反射構造１４として光電変換素子２１の幅Ｗと同じ直径の半球形状を形成したい場合は、半球形状パターン１５ａと矩形状パターン１５ｂの高さ比を、（Ｗ／２）：Ｈに設定する必要がある。
【００２０】
また、後のドライエッチング工程で半球形状パターン１５ａの形状を層間絶縁層２２に転写させるためには、Ｗ／２はＨ以下である必要がある。
光反射構造１４は、反射した入射光を画素の中心部に集光させる半球形状であることが望ましいが、赤色光の感度を改善するには、必ずしも反射光は画素の中心部に集光する必要はなく、光電変換素子２１に再入射されればよい。よって、本発明においては、半球形状パターン１５ａの形状を、真球の一部を構成する曲面形状となるように厳密に設計する必要はない。
【００２１】
フォトレジスト１５のパターンを形成するためには、まずフォトレジスト１５の材料を層間絶縁層２２の表面に塗布し、画素毎に円柱形状にフォトレジスト１５が残るようパターニングする。次に、パターニングしたフォトレジストに対して熱リフロー処理を行うことで、フォトレジスト１５を半球形状に加工し、半球形状パターン１５ａを形成する。その後、再びフォトレジストを塗布し、半球形状パターン１５ａを囲う矩形状パターン１５ｂを形成することで、図４に示すフォトレジスト１５のパターンが形成できる。
また、ナノインプリントリソグラフィー又は網点マスクを用いることで、一回のパターニングでフォトレジスト１５のパターンを形成することも可能であるが、本実施形態の方法は、それらに限定されるものではない。
【００２２】
次に、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とで、図６に示すように、半球形状パターン１５ａの形状は層間絶縁層２２に転写されて、半球状の光透過層１１が形成される。また、矩形状パターン１５ｂはドライエッチング時にマスクとなるため、ドライエッチング処理後も、矩形状パターン１５ｂの下方に位置する層間絶縁層２２、及び、その内部の配線２３はエッチングされずに保護される。
次に、図７に示すように、光透過層１１の表面と、ドライエッチングされずに残った層間絶縁層２２の表面とに反射金属１２を形成する。反射金属１２には、金属材料又は金属材料を用いた合金等、高い反射率を有する材料からなる金属薄膜を用いる。金属材料としては、アルミニウム、銀、クロム、タンタル、タングステン、チタンが例示できる。また、反射金属１２の材料は、後の製造工程で高温に曝されるため、少なくとも５００℃以上６００℃以下の熱処理によって溶融しない材料であることが望ましい。反射金属１２の成膜には蒸着、スパッタ等の手段を用いる。
【００２３】
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、層間絶縁層２２や光反射構造１４の加工で生じた表面の凹凸を平坦化する。平坦化層１３の材料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又は非ドープ型酸化シリコン等の材料が好ましい。
平坦化層１３の成膜による凹凸の平坦化が不十分な場合は、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。以上の工程により、半導体基板３０上に光反射構造１４を形成することができる。
【００２４】
次に、図９に示すように、光反射構造１４を形成した側を接合面として、半導体基板３０と支持基板１０を接合する。支持基板１０の材料としては、石英基板又はｐ型又はｎ型のシリコン基板を用いる。半導体基板３０の光反射構造１４を形成した面又は支持基板１０の表面を、プラズマ処理又はオゾン処理で表面活性化した後、半導体基板３０と支持基板１０を貼り合わせることで、両者を強固に接着させることが可能である。しかしながら、半導体基板３０と支持基板１０を貼り合わせる方法は、上記方法に限定されるものではない。
【００２５】
次に、半導体基板３０と支持基板１０の接合後、半導体基板３０を加工し、半導体層２０を形成する。半導体基板３０と支持基板１０と貼り合わせを行った後、半導体基板３０を薄膜化することで、図１０に示すように、支持基板１０上に半導体層２０を形成することができる。図１０は、光入射側を上側に配置した図である。
半導体基板３０を薄膜化させるためには、まずグラインダを用いて物理的に基板を薄くした上で、ＣＭＰ等の方法により研磨処理を行い、表面を平滑化する。その後、ウェットエッチング又はドライエッチングにより化学的に基板をエッチングすることで、狙いの膜厚まで半導体基板３０を薄膜化して半導体層２０を形成することができる。ただし、本発明の形態は、これらに限定されるものではない。
【００２６】
電子を蓄積する空乏層は、図１０に示す光電変換素子２１の下部（裏面側部分）に位置するため、半導体層２０の膜厚が厚くなった場合は、光電変換素子２１の上方で電子が空乏層に辿り着くまでの距離が長くなってしまう。その場合は、電子が発生画素の空乏層に辿り着く前に再結合により消滅又は隣接画素に流れ込むことで、効率低下や混色を引き起こす原因となりうる。特に短波長領域の光（波長３６０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下）は主に光電変換素子２１の上部（光入射側部分）で光電変換されるため、半導体層２０が３μｍよりも厚みを持つ場合は、短波長光の光電変換効率が低下してしまう。
【００２７】
一方、半導体層２０の膜厚を薄くすることで、短波長光の変換効率は上昇するが、長波長光は光電変換素子２１の内部で十分に光電変換されずに、光電変換素子２１の下方に抜けていく。しかしながら、それらの光は、本実施形態の固体撮像素子に備わる光反射構造１４で反射されて光電変換素子２１に再入射するため、本実施形態の構造においては半導体層２０の厚みが２μｍ以上あれば、全可視光領域の光を効率よく光電変換させることが可能である。このため、半導体層２０の膜厚は２μｍ以上３μｍ以下とすることが好ましい。
【００２８】
次に、図１１に示すように、光電変換素子２１の間に素子分離壁２６を形成する。素子分離壁２６は、素子駆動上は必ずしも必要なものではないが、光電変換素子２１への入射光の隣接画素への入射、又は、光電変換素子２１で発生した電子が隣接画素へ流入して生じる混色を抑制する効果がある。素子分離壁２６の材料として多結晶シリコン又は酸化シリコンを用いることで、入射光と発生電子の両方の隣接画素へ流入を抑制することが可能である。素子分離壁２６の形成は、ＤＴＩ（Ｄｅｅｐ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）技術を用いて半導体層２０内に高アスペクト比の溝を形成し、この溝に素子分離壁２６の材料を埋め込むことで実施する。
また、薄膜化後の半導体層２０の表面には多数の欠陥準位が存在し、そのまま撮像素子を形成した場合には、欠陥準位により発生電子がトラップされる、又は、暗時ノイズが増大するなど、著しく素子の性能が低下する。そのため、半導体層２０の表面を不活性化処理する必要がある。不活性化処理は、半導体層２０の表面に高濃度のｐ＋層を形成することで実施する。
【００２９】
次に、図１２に示すように、半導体層２０の上にカラーフィルタ２４を形成する。図示していないが、カラーフィルタ２４の形成前に、半導体層２０上に平坦化性を有する有機膜を成膜し、表面を平滑化してからカラーフィルタ２４を形成しても良い。カラーフィルタ２４は、顔料を分散させた感光性を有する樹脂を用いて、フォトリソグラフィによりパターン形成を行うことができる。
また、半導体層２０の上、又は、その上に形成した平坦化膜上に、顔料を分散させた非感光性樹脂を塗布し、さらにこの非感光性樹脂上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりパターン形成した上でドライエッチングを行うことで、カラーフィルタ２４のパターン加工を行うことも可能である。
【００３０】
カラーフィルタ２４のカラー配列は、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）の三色のベイヤー配列（Ｂａｙｅｒ  Ａｒｒａｙ）でもよいし、ＲＧＢによる他の配列でもよいし、その他ＲＧＢ以外の色（例えばホワイト、シアン、イエロー、マゼンタ等）のフィルタを配列したカラーフィルタ配列でも良いが、本実施形態はそれらに限定されるものではない。
カラーフィルタ２４の形成後、カラーフィルタ２４の上にマイクロレンズ２５を形成することで、図１に示す本実施形態の固体撮像素子となる。カラーフィルタ２４の上に感光性樹脂を塗布し、フォトリソグラフィにより各画素のレンズ間ギャップを形成した後に、熱フローさせることでレンズ形状に形成して、マイクロレンズ２５とすることができる。
又は、カラーフィルタ２４の上に樹脂を塗布し、その上に感光性樹脂を塗布して、フォトリソグラフィ、熱フローによりレンズ形状に形成した後に、レンズ形状の感光性樹脂膜を犠牲膜としてドライエッチングを行い、カラーフィルタ２４の上に形成した樹脂をレンズ形状に加工する方法によっても、マイクロレンズ２５を形成することができる。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明の実施例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
（支持基板１０上への光電変換素子２１の形成）
ＣＭＯＳ製造プロセスにより、半導体基板３０の中に光電変換素子２１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、及び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２１及びその他の素子を形成した後に、配線２３を形成した。また、各配線２３間に層間絶縁層２２を形成した。層間絶縁層２２は、非ドープ型酸化シリコンを常圧ＣＶＤで成膜することにより形成した。また、配線２３は、アルミニウム薄膜をスパッタで成膜した後に、フォトリソグラフィにより配線パターン加工を行うことにより形成した。【００３２】
（光反射構造１４の形成）
次に、光反射構造１４を形成するため、層間絶縁層２２上にフォトレジスト１５のパターンを形成した。最初に感光性レジストをスピンコータで塗布し、露光、現像を行うことで、円柱形状のパターンを形成した。半導体基板３０を２３０℃のホットプレートで加熱し、パターニングした感光性レジストを熱リフローさせることで、半球形状パターン１５ａを形成した。その後、再び感光性レジストをスピンコータで塗布し、露光、現像を行って、半球形状パターン１５ａを井桁形状に囲う矩形状パターン１５ｂを形成して、フォトレジスト１５のパターンを形成した。
本実施例においては、光電変換素子２１の幅、層間絶縁層２２の膜厚が共に３μｍであり、かつ、フォトレジスト１５と層間絶縁層２２のドライエッチング選択比がほぼ１：１となるようなドライエッチング条件を適用したため、パターン完成後の半球形状パターン１５ａの膜厚が１．５μｍ、矩形状パターン１５ｂの膜厚が３μｍとなるように感光性レジスト塗布時の膜厚を調整した。【００３３】
次に、半導体基板３０に対して、メタン（ＣＦ４）と酸素（Ｏ２）の混合ガスを用いてドライエッチング処理を行って層間絶縁層２２を加工し、光透過層１１を形成した。半球形状にパターニングされたフォトレジスト１５はドライエッチング処理中にエッチングされてプロセス途中で消失するが、その半球形状が下地の層間絶縁層２２に転写されたため、光透過層１１を半球形状に加工することができた。また、配線２３が形成された部分の層間絶縁層２２上にある矩形状のフォトレジスト１５のパターンもドライエッチング処理中にエッチングされてプロセス途中で消失するが、光透過層１１が形成された時点でエッチングを終了するため、その下の層間絶縁層２２及び配線２３はエッチングされず保護される。
その後、光透過層１１、及びドライエッチングされずに残った層間絶縁層２２の表面に、スパッタリングにより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。その後、常圧ＣＶＤによって非ドープ型酸化シリコンを成膜し、成膜後に表面を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１３を形成した。以上の工程により、半導体基板３０上に光反射構造１４を形成した。【００３４】
（支持基板１０上への半導体層２０の形成）
支持基板１０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、半導体基板３０の平坦化層１３を形成した側の面に貼り付けた。支持基板１０と半導体基板３０を貼り合わせた後に、グラインダを用いて半導体基板３０を削り、ＣＭＰによって半導体薄膜表面を研磨し、表面を平滑化した。
その後、水酸化カリウムと水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）の混合溶液を用いてウェットエッチング処理をして、半導体基板３０を薄膜化することで半導体層２０を形成した。固体撮像素子を形成した後、株式会社日立ハイテクノロジーズ製の走査電子顕微鏡Ｓ４８００により固体撮像素子の断面を観察したところ、半導体層２０の膜厚は２．５μｍであった。【００３５】
（固体撮像素子の製造）
半導体層２０の表面に最大キャリア濃度１ｅ１９／ｃｍ３のｐ＋層をドーピングすることで、不活性化処理を行った。表面の不活性化処理の後に、ドライエッチングにより半導体層２０内の各画素の境界部分に幅２００ｎｍ、深さ２μｍの溝を形成し、この溝内に常圧ＣＶＤによって非ドープ型酸化シリコンを埋め込み、さらにＣＭＰによって半導体薄膜表面を研磨し表面を平滑化することで、半導体層２０内に素子分離壁２６を形成した。
次に、半導体層２０上に、それぞれ緑色、青色、赤色の顔料を含有する３種類の感光性樹脂を用いて、ベイヤー配列となるようにカラーフィルタ２４を形成した。顔料を含有する感光性樹脂はスピンコート法で塗布した後、露光、現像することで色毎にパターンを形成した。【００３６】
カラーフィルタ２４を形成した後に、カラーフィルタ２４上に非感光性樹脂を塗布し、ベークを行うことで平坦化膜を形成した。次に、平坦化膜上にポジ型の感光性樹脂をスピンコート法で塗布し、フォトリソグラフィを行って各画素のレンズ間ギャップを形成した後に熱処理をすることで、感光性樹脂がリフローしてレンズ形状になり、マイクロレンズ２５が形成された。また、可視光領域の光を入射した時に光電変換素子２１の中心付近に集光するように、マイクロレンズ２５のレンズ形状を設計した。
マイクロレンズ２５を形成した後に、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、固体撮像素子が完成した。【００３７】
本実施例の構造に従って製造した固体撮像素子に入射した光の挙動について、図１３を用いて説明する。固体撮像素子に向かって垂直に入射した光はマイクロレンズ２５内で屈折し、光電変換素子２１の中心に向かって集光する。波長が短い光は光電変換素子２１の表面又は内部において光電変換し、電子−正孔対を形成するが、大半の赤色光は光電変換せずに半導体層２０を通過し、光反射構造１４中の反射金属１２にて反射する。
また、マイクロレンズ２５の頂点から垂直に入射した光だけでなく、光電変換素子２１に集光後、光反射構造１４に斜めに入射した光も、光透過層１１及びそれを覆う反射金属１２が半球形状で形成されているため、光電変換素子２１の中心に向かって効率よく反射して再入射する。【００３８】
本実施例による固体撮像素子の感度向上効果を検証するため、実施例に従って作成した固体撮像素子の量子効率を測定した。固体撮像素子の量子効率ＱＥは、単位時間当たりの一画素への入射光子数をＮｐ、その画素で発生する信号電子数をＮｅとした場合、下記の式で表すことができる。
ＱＥ  ＝  Ｎｅ  ／  Ｎｐ  
信号電子数Ｎｅを求めるため、固体撮像素子を専用の駆動回路基板に接続し、波長可変光源からの入射光を照射することで、波長毎にセンサー出力ＤＮ（Digit  Nｕｍｂｅｒ）を測定した後、以下の式を用いて信号電子数Ｎｅを計算した。
Ｎｅ  ＝  ＤＮ  ×  Ｃ 
ここで、上記式においてＣは変換係数（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Nｕｍｂｅｒ  ／  Digit  Nｕｍｂｅｒ）を示している。【００３９】
一方、単位時間当たりの一画素への入射光子数Ｎｐは、まず分光感度が既知である市販のフォトダイオードに入射光を照射して、各波長における光電流を測定することで、波長毎の光量Ｗ（Ｗ／ｃｍ２）を求めた後、以下の式を用いて算出した。
Ｎｐ ＝  Ｗ× ｓ  ×  λ ×  ｔ  ／（ｈ  ×  ｃ）
上記式においてｓは固体撮像素子の一画素の面積（ｃｍ２）、λは入射光の波長（ｍ）、ｔは入射光の照射時間（ｓｅｃ）、ｈはプランク定数（６．６×１０−３４Ｊ・ｓｅｃ）、ｃは真空中の光速（３．０×１０１０ ｍ／ｓｅｃ）を示している。【００４０】
上記方法により、本実施例で作成した固体撮像素子の量子効率を測定したところ、赤色領域（６００〜６５０ｎｍ）の入射光に対する量子効率は６１．９％であった。
比較のため、半導体層２０の下部に光反射構造１４を有さない点を除けば、本実施例と同じ構造である固体撮像素子を作成し、本実施例の固体撮像素子と同じ測定条件で量子効率を測定したところ、赤色領域（６００〜６５０ｎｍ）の入射光に対する量子効率は５０．９％であり、実施例と比べ感度が低下していた。
感度低下は、比較のために作成した固体撮像素子は半導体層２０の下部に光反射構造１４を有していないため、半導体層２０で光電変換されなかった赤色光が配線層を通って、支持基板側１０に抜けてしまうことで生じたものと思われる。【００４１】
以上の検証により、本実施例の構造の固体撮像素子は赤色光に対する感度が良好であることが示された。
本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。
また、本願が優先権を主張する、日本国特許出願２０１６−２３５８４０号（２０１６年１２月５日出願）の全内容は、参照により本開示の一部をなす。
【符号の説明】
【００４２】
１０        支持基板
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
１５ａ      半球形状パターン
１５ｂ      矩形状パターン
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        素子分離壁
３０        半導体基板
【図１】
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【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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【図１３】
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【国際調査報告】
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