(57)【要約】【課題】光電変換層に対して位置合わせずれの小さい色フィルタを備えた固体撮像装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１０内に形成され、入射光を電気信号に変換する光電変換層１５と、半導体基板１０の表面に形成され、光電変換層１５から出力された電気信号を処理する回路と、半導体基板１０の裏面に光電変換層１５に対応するように配置された赤、緑、青フィルタ２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂとを備える。赤フィルタ２３Ｒは、半導体基板１０を通過する光を透過する。半導体基板１０の裏面に対して垂直な断面において、赤フィルタ２３Ｒの下面の長さはその上面の長さより長く、緑フィルタ２３Ｇの下面の長さはその上面の長さより短い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主面と前記第１の主面に対向する第２の主面とを有する半導体基板と、
前記半導体基板内に形成され、入射光を電気信号に変換する光電変換層と、
前記第１の主面に形成され、前記光電変換層から出力された電気信号を処理する回路と、
前記第２の主面上に前記光電変換層に対応するように配置された第１、第２の色フィルタとを具備し、
前記第１の色フィルタは、前記半導体基板を通過する光を透過する分光フィルタであり、
前記第１の色フィルタは前記第２の主面側の第１下面と前記第１下面に対向する第１上面とを有し、前記第２の色フィルタは前記第２の主面側の第２下面と前記第２下面に対向する第２上面とを有し、
前記第２の主面に対して垂直な断面において、前記第１下面の長さは前記第１上面の長さより長く、前記第２下面の長さは前記第２上面の長さより短いことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１の色フィルタは赤の光を透過するフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第２の色フィルタは光の感度特性に最も影響を及ぼす光を透過するフィルタであることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第２の色フィルタは緑の光を透過するフィルタであることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第２の色フィルタは、前記第１の色フィルタより大きな面積を有することを特徴とする請求項３または４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
半導体基板に、入射光を電気信号に変換する光電変換層を形成し、前記半導体基板の第１の主面に、前記光電変換層から出力された電気信号を処理する回路を形成する工程と、
前記半導体基板の前記第１の主面に対向する第２の主面上に、前記半導体基板と前記光電変換層の位置に合わせて第１の色フィルタと第１の合わせマークを形成する工程と、
前記第２の主面上に、前記第１の合わせマークの位置に合わせて第２の色フィルタと第２の合わせマークを形成する工程とを具備し、
前記第１の色フィルタと第１の合わせマークを形成する工程では、第１の色フィルタを透過し前記半導体基板を通過する光を用いて、前記光電変換層への位置合わせが行われることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１の色フィルタは前記第２の色フィルタより波長の長い光を透過する分光フィルタであることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１の色フィルタは、前記半導体基板を通過する赤の光を透過する分光フィルタであり、前記第２の色フィルタは緑または青の光を透過する分光フィルタであることを特徴とする請求項６または７に記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置に関し、例えば裏面照射型の固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、裏面照射型の固体撮像装置が研究されている。裏面照射型の撮像装置は、シリコン基板の表面側にロジック回路／アナログ回路／画素走査回路などの信号処理回路を形成し、裏面側には光電変換領域と色フィルタやマイクロレンズなどを形成する。
【０００３】
シリコン基板の裏面に照射された光はシリコン基板内で光電変換され、光電変換された信号は基板の表面側で信号処理され出力される。従来、画素に配置されていた走査トランジスタや配線が裏面側にはないため、１画素あたりの開口率は１００％取得できる。また、色フィルタやマイクロレンズも低背化できるため、集光性が向上し、混色も低減する。
【０００４】
一方、色フィルタおよびマイクロレンズの位置合わせにおいては、従来の基板の表面から光が入射する固体撮像装置では、光が入射する開口部を配線で規定していたため、色フィルタは配線に合わせて形成していた。配線は金属であるため、ＲＧＢ、すなわち赤、緑、青などの色がある色フィルタでも容易に合わせることができた。
【０００５】
しかし、裏面照射型の固体撮像装置にあっては、次のような問題があった。
【０００６】
光が入射する開口部は、シリコン基板表面に形成された素子分離層で区画されたアクティブエリアである。アクティブエリアは光電変換層を含む。したがって、色フィルタの位置を光電変換層に合わせるためには、シリコン基板表面に形成された素子分離層の段差に合わせる必要がある。
【０００７】
ところが、裏面照射型の固体撮像装置の場合、シリコン基板の厚さ３〜７μｍ越しに段差を検知しなくてはならないため、通常のステッパの波長では、シリコン基板表面の素子分離層（またはアクティブエリア）に合わせることができない。そのため、シリコン基板を貫通させたマークを事前に形成したり、素子分離層の段差部分のシリコンを削り、段差を露出させるなどの方法により色フィルタを合わせていた。
【０００８】
しかしながら、シリコン基板を貫通させたマークについては、工程が増えるうえに、素子分離層との間接合わせになってしまう。また、素子分離層の段差部分のシリコンを掘り返す方法については、色フィルタ形成時にストリエーションが発生し有効な画像を取得することが難しかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−０３１７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
光電変換層に対して位置合わせずれの小さい色フィルタを備えた固体撮像装置及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施態様の固体撮像装置は、第１の主面と前記第１の主面に対向する第２の主面とを有する半導体基板と、前記半導体基板内に形成され、入射光を電気信号に変換する光電変換層と、前記第１の主面に形成され、前記光電変換層から出力された電気信号を処理する回路と、前記第２の主面上に前記光電変換層に対応するように配置された第１、第２の色フィルタとを具備する。前記第１の色フィルタは、前記半導体基板を通過する光を透過する分光フィルタである。前記第１の色フィルタは前記第２の主面側の第１下面と前記第１下面に対向する第１上面とを有し、前記第２の色フィルタは前記第２の主面側の第２下面と前記第２下面に対向する第２上面とを有する。前記第２の主面に対して垂直な断面において、前記第１下面の長さは前記第１上面の長さより長く、前記第２下面の長さは前記第２上面の長さより短いことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）は実施形態の固体撮像装置における色フィルタの平面図、（ｂ）は（ａ）中の２Ｂ−２Ｂ線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）中の２Ｃ−２Ｃ線に沿った断面図である。
【図３】実施形態の固体撮像装置における色フィルタの製造方法を示す断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は実施形態の固体撮像装置における色フィルタの製造方法を示す平面図、（ｃ）は（ａ）中の４Ｃ−４Ｃ線に沿った断面図、（ｄ）は（ｂ）中の４Ｄ−４Ｄ線に沿った断面図である。
【図５】実施形態の固体撮像装置における色フィルタの製造方法を示す断面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は実施形態の固体撮像装置における色フィルタの製造方法を示す平面図、（ｃ）は（ａ）中の６Ｃ−６Ｃ線に沿った断面図、（ｄ）は（ｂ）中の６Ｄ−６Ｄ線に沿った断面図である。
【図７】実施形態の固体撮像装置における色フィルタの製造方法を示す断面図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は実施形態の固体撮像装置における色フィルタの製造方法を示す平面図、（ｃ）は（ａ）中の８Ｃ−８Ｃ線に沿った断面図、（ｄ）は（ｂ）中の８Ｄ−８Ｄ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して実施形態の固体撮像装置について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１４】
［第１実施形態］
［１］固体撮像装置の構造
図１は、第１実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【００１５】
図示するように、固体撮像装置上には、画素領域Ａ、アナログ領域Ｂ、ロジック領域Ｃ、及びチップ終端のダイシングライン領域Ｄが存在する。
【００１６】
エピタキシャル層を有する半導体基板（例えば、シリコン単結晶基板）１０のアナログ領域ＢにはＰウェル層１１が形成され、ロジック領域ＣにはＮウェル層１２が形成されている。各々のウェル層には、例えばＮチャネルトランジスタ１３およびＰチャネルトランジスタ１４が形成されている。トランジスタ１３，１４が形成された半導体基板１０の第１の主面を表面とし、この表面に対向する第２の主面を裏面とする。
【００１７】
画素領域Ａには、フォトダイオードを含む光電変換層１５と、光電変換層１５を分離する光電変換分離層１６が形成されている。
【００１８】
半導体基板１０の表面上、すなわちトランジスタ１３，１４上、光電変換層１５上および光電変換分離層１６上には、層間絶縁膜１７と金属配線１８が形成されている。金属配線１８は、層間絶縁膜１７中に絶縁膜を介して多層に積層されている。
【００１９】
層間絶縁膜１７上には、接着材層１９を介して支持基板２０が形成されている。言い換えると、層間絶縁膜１７は、接着材層１９により支持基板２０と接合している。こうして、半導体基板１０は支持基板２０にて固定されている。
【００２０】
半導体基板１０の裏面は削られており、削られた半導体基板１０の裏面上のアナログ領域Ｂおよびロジック領域Ｃには、金属スパッタ層２１が形成されている。半導体基板１０の裏面上および金属スパッタ層２１上には、平坦化層２２が形成されている。
【００２１】
平坦化層２２上の画素領域Ａには、光電変換層１５に対応するように色フィルタ２３がそれぞれ形成されている。平坦化層２２上および色フィルタ２３上には、保護層２４が形成されている。さらに、保護層２４上には、色フィルタ２３に対応するようにマイクロレンズ２５がそれぞれ形成されている。
【００２２】
色フィルタ２３は、それぞれ赤、緑、青の色フィルタから形成される。以降、赤の色フィルタを赤フィルタ、緑の色フィルタを緑フィルタ、及び青の色フィルタを青フィルタと記す。赤フィルタは、赤の光を透過するフィルタである。緑フィルタは、緑の光を透過するフィルタである。青フィルタは、青の光を透過するフィルタである。色フィルタ２３の構造は、後で詳述する。
【００２３】
マイクロレンズ２５に入射した光は、マイクロレンズ２５、色フィルタ２３を通り、光電変換層１５に入射する。光電変換層１５は入射光を電気信号に変換する。アナログ領域Ｂ及びロジック領域Ｃに形成された回路は、光電変換層１５から出力された電気信号を処理する。
【００２４】
また、チップ終端のダイシングライン領域Ｄにおける構造は以下のようになっている。
【００２５】
半導体基板１０の表面上には、層間絶縁膜１７が形成されている。層間絶縁膜１７上には、接着材層１９を介して支持基板２０が形成されている。半導体基板１０の裏面上には、色フィルタで形成された位置合わせマーク２６が形成されている。位置合わせマーク２６は、それぞれ赤フィルタから形成された赤フィルタマーク、緑フィルタから形成された緑フィルタマーク、青フィルタから形成された青フィルタマークを含む。
【００２６】
さらに、半導体基板１０の裏面上および位置合わせマーク２６上には保護層２４が形成されている。
【００２７】
次に、図２を用いて、半導体基板１０の裏面上に形成された色フィルタ２３の構造を説明する。
【００２８】
図２（ａ）は実施形態における色フィルタの平面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）中の２Ｂ−２Ｂ線に沿った断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）中の２Ｃ−２Ｃ線に沿った断面図である。
【００２９】
図２（ａ）の平面図に示すように、赤フィルタ２３Ｒ、緑フィルタ２３Ｇ、及び青フィルタ２３Ｂがマトリクス状に配列されている。なおここでは、図２（ａ）に示すような配列を記したが、これに限るわけではなくその他の配列であってもよい。また、図中において、赤フィルタをＲ、緑フィルタをＧ、青フィルタをＢでそれぞれ示す。以降の図も同様である。
【００３０】
色フィルタの断面構造は以下のようになっている。
【００３１】
図２（ｂ）に示すように、半導体基板１０の裏面上には、赤フィルタ２３Ｒが配置され、赤フィルタ２３Ｒの間には緑フィルタ２３Ｇが配置されている。赤フィルタ２３Ｒの側面と、緑フィルタ２３Ｇの側面は接触している。図２（ｂ）に示した断面において、赤フィルタ２３Ｒの下面の長さは、その上面の長さより長い。一方、緑フィルタ２３Ｇの下面の長さは、その上面の長さより短い。
【００３２】
また、図２（ｃ）に示すように、半導体基板１０の裏面上には、緑フィルタ２３Ｇが配置され、緑フィルタ２３Ｇの間には青フィルタ２３Ｂが配置されている。緑フィルタ２３Ｇの側面と、青フィルタ２３Ｂの側面は接触している。図２（ｃ）に示した断面において、緑フィルタ２３Ｇの下面の長さは、その上面の長さより長い。一方、青フィルタ２３Ｂの下面の長さは、その上面の長さより短い。
【００３３】
図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示したこのような構造より、緑フィルタ２３Ｇより赤フィルタ２３Ｒが先に形成され、青フィルタ２３Ｂより緑フィルタ２３Ｇが先に形成されたことがわかる。すなわち、半導体基板１０の裏面上の色フィルタ２３は、赤フィルタ２３Ｒ、緑フィルタ２３Ｇ、及び青フィルタ２３Ｂの順序で製造されたものである。なお、ここでは、赤フィルタ２３Ｒを形成した後に緑フィルタ２３Ｇを形成したが、これに限るわけではなく、赤フィルタ２３Ｒを形成した後に青フィルタ２３Ｂ、緑フィルタ２３Ｇの順序で形成してもよい。
【００３４】
第１実施形態では、フォトダイオードを含む光電変換層に対して合わせずれ（位置ずれ）の小さい色フィルタを形成することができる。これにより、色フィルタの合わせずれによって生じる混色を低減することができ、色再現性の良好な画像を得ることができる。
【００３５】
［２］固体撮像装置の製造方法
実施形態の固体撮像装置の製造方法として、以下に特徴部分である色フィルタの製造方法ついて説明する。
【００３６】
図３〜図８は、第１実施形態の固体撮像装置における色フィルタの製造方法を示す図である。図３（ａ）、図４（ｃ）、図５（ａ）、図６（ｃ）、図７（ａ）、図８（ｃ）は色フィルタが形成される領域の断面であり、図４（ａ）、図６（ａ）、図８（ａ）は色フィルタの平面図である。図３（ｂ）、図４（ｄ）、図５（ｂ）、図６（ｄ）、図７（ｂ）、図８（ｄ）はダイシングライン領域に形成される合わせマークの断面であり、図４（ｂ）、図６（ｂ）、図８（ｂ）は合わせマークの平面図である。なお、図３（ｂ）、図４（ｂ）、図４（ｄ）に示した合わせマーク、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図６（ｄ）に示した合わせマーク、及び図７（ｂ）、図８（ｂ）、図８（ｄ）に示した合わせマークの３つの合わせマークは、同じ場所に形成される同一の合わせマークではなく、それぞれ異なる場所に形成されるものである。
【００３７】
まず、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、半導体基板１０の裏面上の全面に赤フィルタとなる膜２３ＲＲを形成する。続いて、リソグラフィ法により露光と現像を行い、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すように、半導体基板１０の裏面上に赤フィルタ２３Ｒを形成する。このとき、赤フィルタ２３Ｒは、半導体基板１０に形成された、フォトダイオードを含む光電変換層１５の位置に合わせて形成される。すなわち、ダイシングライン領域に合わせマークとして形成されたアクティブエリア１５Ａを位置合わせの基準として露光を行い、赤フィルタ２３Ｒの位置を決定する。なお、アクティブエリア１５Ａは、光電変換層１５と同じ工程によって形成されたものである。
【００３８】
さらに、赤フィルタ２３Ｒをアクティブエリア１５Ａに合わせて形成するのと同時に、赤フィルタとなる膜２３ＲＲをパターニングして、図４（ｂ）及び図４（ｄ）に示すように赤フィルタマーク２６Ｒを形成すると共に、ダイシングライン領域の別の場所に図５（ｂ）及び図７（ｂ）に示すように赤フィルタマーク２６Ｒをそれぞれ形成する。
【００３９】
赤フィルタ２３Ｒを形成する工程では、赤のような長波長の光（Ｒ光）でアライメントするため、半導体基板１０の表面側のアクティブエリア１５Ａを検知でき、アクティブエリア１５Ａに合わせて赤フィルタ２３Ｒの位置を合わせることができる。なお、赤の光は半導体基板１０を通過し、半導体基板１０の表面側のアクティブエリア１５Ａを検知できるが、緑や青のような短波長の光では、表面側のアクティブエリア１５Ａを検知することができない。
【００４０】
次に、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、半導体基板１０の裏面上の全面に緑フィルタとなる膜２３ＧＧを形成する。続いて、リソグラフィ法により露光と現像を行い、図６（ａ）〜図６（ｄ）に示すように、半導体基板１０の裏面上に緑フィルタ２３Ｇを形成する。このとき、緑フィルタ２３Ｇは、半導体基板１０上に形成された赤フィルタ２３Ｒの位置に合わせて形成される。すなわち、ダイシングライン領域に合わせマークとして形成された赤フィルタマーク２６Ｒを位置合わせの基準として露光を行い、緑フィルタ２３Ｇの位置を決定する。
【００４１】
さらに、緑フィルタ２３Ｇを赤フィルタ２３Ｒに合わせて形成するのと同時に、緑フィルタとなる膜２３ＧＧをパターニングして、図６（ｂ）及び図６（ｄ）に示すように、緑フィルタマーク２６Ｇを形成する。
【００４２】
なお、緑フィルタ２３Ｇを形成する工程では、緑のような短波長の光（Ｇ光）を用いるため、半導体基板１０の表面側のアクティブエリア１５Ａを検知することができない。このため、半導体基板１０の裏面上に形成された赤フィルタマーク２６Ｒに合わせて緑フィルタ２３Ｇを形成する。
【００４３】
次に、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、半導体基板１０の裏面上の全面に青フィルタとなる膜２３ＢＢを形成する。続いて、リソグラフィ法により露光と現像を行い、図８（ａ）〜図８（ｄ）に示すように、半導体基板１０の裏面上に青フィルタ２３Ｂを形成する。このとき、青フィルタ２３Ｂは、半導体基板１０上に形成された赤フィルタ２３Ｒの位置に合わせて形成される。すなわち、ダイシングライン領域に合わせマークとして形成された赤フィルタマーク２６Ｒを位置合わせの基準として露光を行い、青フィルタ２３Ｂの位置を決定する。
【００４４】
さらに、青フィルタ２３Ｂを赤フィルタ２３Ｒに合わせて形成するのと同時に、青フィルタとなる膜２３ＢＢをパターニングして、図８（ｂ）及び図８（ｄ）に示すように、青フィルタマーク２６Ｂを形成する。
【００４５】
なお、青フィルタ２３Ｂを形成する工程では、青のような短波長の光（Ｂ光）を用いるため、半導体基板１０の表面側のアクティブエリア１５Ａを検知することができない。このため、半導体基板１０の裏面上に形成された赤フィルタマーク２６Ｒに合わせて青フィルタ２３Ｂを形成する。
【００４６】
その後、半導体基板１０の裏面上に形成された赤フィルタ２３Ｒの位置に合わせて、図１に示すように、マイクロレンズ２５を形成する。すなわち、ダイシングライン領域に合わせマークとして形成された赤フィルタマーク２６Ｒを位置合わせの基準としてマイクロレンズ２５の位置を決定する。
【００４７】
本実施形態によれば、複数の色フィルタを形成する際、最初に形成する色フィルタを、長波長の赤の光を透過する赤フィルタとしているため、リソグラフィを行う際、裏面界面より深い位置にあるアクティブエリアを検出することができる。これにより、フォトダイオードを含むアクティブエリアに色フィルタの位置を合わせることができる。
【００４８】
また、前述した製造方法であれば、半導体基板の裏面に専用のマークを形成する必要がない。例えば、半導体基板の裏面にトレンチを形成したり、アクティブエリアが形成された領域のシリコン基板を掘り起こす必要がない。これにより、裏面照射型の固体撮像装置においても、工程数を増やすことなく、フォトダイオードを含むアクティブエリアに色フィルタを高い精度で位置合わせすることが可能である。
【００４９】
［第２実施形態］
第２実施形態では、赤フィルタを形成した後、青フィルタを赤フィルタに合わせて形成し、最後に緑フィルタを赤フィルタに合わせて形成する。さらに、赤フィルタと青フィルタの面積は、緑フィルタの面積に対して８割か９割ほどの大きさとする。すなわち、緑フィルタの面積を、赤フィルタ及び青フィルタの面積と比べて少し大きくする。なお、製造工程は、例えば第１実施形態における緑フィルタと青フィルタの形成工程を入れ替えればよい。
【００５０】
本実施形態では、緑フィルタの面積を、赤フィルタ及び青フィルタの面積より大きくしている。これにより、緑フィルタは光の感度特性に最も影響を及ぼす光を透過するため、光電変換層における光の感度特性を向上させることができる。その他の構成及び効果は第１実施形態と同様である。
【００５１】
なお、緑フィルタより青フィルタを先に形成したが、赤フィルタを形成した後、緑フィルタを赤フィルタより１割か２割大きく形成し、その後に青フィルタを形成してもよい。このように形成しても、光電変換層における光の感度特性を同様に向上させることができる。
【００５２】
以上説明したように実施形態によれば、裏面照射型の固体撮像装置専用の特殊な工程やマークを形成することなく、フォトダイオードに対して、位置の合わせずれが小さい色フィルタとマイクロレンズを形成することができる。これにより、色フィルタの合わせずれによって生じる混色を低減することができ、色再現性の良好な画像を得ることができる。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５４】
１０…半導体基板（シリコン単結晶基板）、１１…Ｐウェル層、１２…Ｎウェル層、１３…Ｎチャネルトランジスタ、１４…Ｐチャネルトランジスタ、１５…光電変換層、１５Ａ…アクティブエリア、１６…光電変換分離層、１７…層間絶縁膜、１８…金属配線、１９…接着材層、２０…支持基板、２１…金属スパッタ層、２２…平坦化層、２３…色フィルタ、２３Ｒ…赤フィルタ、２３Ｇ…緑フィルタ、２３Ｂ…青フィルタ、２４…保護層、２５…マイクロレンズ、２６…位置合わせマーク、２６Ｒ…赤フィルタマーク、２６Ｇ…緑フィルタマーク、２６Ｂ…青フィルタマーク、Ａ…画素領域、Ｂ…アナログ領域、Ｃ…ロジック領域、Ｄ…ダイシングライン領域。
【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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